Compréhension et caractérisation de l'imprégnation et du séchage d'hydrogels biosourcés pour l'autopliage de structures papiers architecturées.

Comprehension and characterisation of the impregnation and drying of bio-based hydrogel for self-folding of architectured paper structures

• Auteur / Autrice : Léopold Oudinot
• Direction : Frédéric Dufour
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Sols, Solides, Structures et Risques

Mots clés

Mots clés libres

Retrait

Papier architecturé

Hydrogel biosourcé

Séchage

Imprégnation

Origami

Architectured paper

Shrinkage

Drying

Impregnation

Origami

Bio-based hydrogel

Résumé

Afin de réduire l'impact environnemental des emballages, le papier apparait comme une alternative crédible au plastique, étant un matériau biosourcé, recyclable et biodégradable. Différents procédés ont été développés pour conférer au papier des propriétés barrières. Néanmoins, l'augmentation de la rigidité des structures en papier est un enjeu, car son procédé de fabrication ne permet pas d'obtenir des monocouches homogènes d'une épaisseur supérieure à 180 µm. De plus, cela réduirait la quantité de matière utilisée, et donc son coût. La solution envisagée dans ce projet pour répondre à cet objectif est la réalisation de structures architecturées, par auto-pliage. Des travaux préliminaires ont montré qu'il était possible de créer des plis et d'obtenir de telles structures après dépôt et séchage d'un hydrogel sur le papier, en s'appuyant sur les propriétés d'expansion hydrique des fibres papetières, et de retrait des hydrogels lors du séchage. Cette technique prometteuse permet de former des structures difficilement réalisables par des procédés mécaniques, tout en étant adaptable, à bas coût et en réduisant l'impact environnemental de la mise en forme. Ainsi, l'objectif de ce projet est de comprendre et optimiser les mécanismes menant au pliage du papier après dépôt et séchage d'un hydrogel biosourcé. Pour ce faire, le projet s'articulera autour d'une caractérisation fine des deux principaux phénomènes physiques mis en jeu : (i) imprégnation du substrat papier par un hydrogel, et (ii) séchage et retrait de l'hydrogel amenant à la formation d'un pli. Ces différents phénomènes seront caractérisés localement, à l'aide de systèmes modèles, et à l'échelle du matériau par de la microtomographie RX et des tests mécaniques. Pour ce faire, le travail s'appuiera principalement sur les compétences du LGP2, laboratoire expert du papier, des hydrogels biosourcés et de leur mise en forme, et celles du 3SR, pour la caractérisation mécanique multi-échelles et des couplages multiphysiques des milieux hétérogènes, notamment fibreux, et l'imagerie 3D. Les résultats obtenus permettront d'apporter des éléments fondamentaux pour la compréhension et la modélisation de l'imprégnation d'un gel dans un matériau fibreux, et sur le développement de contraintes induites par le retrait d'un hydrogel. Ils permettront également de faire des recommandations pour le transfert de cette technique vers les procédés industriels.

In order to reduce the ecological footprint of packaging, paper is a relevant alternative to plastic, being a bio-based material, recyclable and biodegradable. Several processes have already been developed to give barrier properties to paper. Nevertheless, reaching a stiff enough paper structure for practical use is an issue, since its fabrication process does not allow to obtain homogeneous paper layers thicker than 180 µm. The solution considered in this project is the design of architectured paper by self-folding in order to limit the amount of matter used and the final cost. Preliminary works have shown that fold and architectured structures can be obtained by depositing and drying an hydrogel on a paper sheet. This uses the hygro expansion properties of paper fibres, and the hydrogel shrinkage during drying. This promising technic opens the way to form complex structures, difficult to make by mechanical process, while being adaptable, low cost, and decreasing the shaping environmental impact. Thus, the goal of this project is to understand and characterize the mechanisms leading to paper folding after the deposit and the drying of an hydrogel. The project will centre on a fine characterization of the two main mechanisms involved: (i) the hydrogel impregnation in a paper, and (ii) the hydrogel shrinkage yielding to fold formation. These mechanisms will be characterized locally, with model-systems, and at the material scale using X-Ray microtomography and mechanical test. To this end, the project will rely on the skills of LGP2-lab, expert on paper, bio-based hydrogel and their shaping, and on the ones of 3SR-lab, expert on multiscale characterization and multiphysics coupling in heterogeneous media, included fibrous media, and 3D Imaging. Results will give fundamental insights to understand the gel impregnation in a porous or fibrous media, and the stress development in the solid matrix induced by gel shrinkage. They also enable to do recommendation to manage technology transfer towards industrial processes.