Introduction et objectifs du travail de recherche

De façon générale, les produits lignocellulosiques sont poreux, soit naturellement comme dans les parois végétales, soit artificiellement comme lors de la préparation d’éponges dites végétales, préparées à partir du procédé viscose. Dans tous les cas, il est observé qu’après séchage, ces produits ont des difficultés pour se ré-hydrater et reprendre la même quantité d’eau. Ce phénomène, appelé hornification, est le plus souvent un handicap pour l’utilisation de produits cellulosiques.

Ce phénomène est lié à la porosité des produits à base de cellulose et résulte dans une réduction de l’accessibilité des pores à l’eau. La majorité des produits à base de cellulose sont souvent influencés de manière négative par l’apparition de ce phénomène. Cependant, en fonction de type du procédé utilisé pour la fabrication des produits cellulosiques, l’hornification n’a pas le même impact et n’affecte pas de la même manière tous les produits. Par exemple, les éponges dites végétales obtenues en utilisant le procédé viscose montrent une influence relativement faible de ce phénomène d’hornification (après séchage et re- humidification les éponges regonflent facilement), alors que l’utilisation de d’autres procédés conduit à une très forte hornification (les éponges ne regonflent pas en présence d’eau) [travaux du Cemef non publiés].

L’objectif de notre travail est de comprendre pourquoi certains matériaux cellulosiques poreux reprennent bien l’eau alors que d’autres ne semblent pas pouvoir le faire. Les pores peuvent provenir de l’état naturel, du procédé de régénération lui-même si un gaz est produit lors d’une des réactions chimiques de cette régénération (c’est le cas dans le procédé viscose), ou peuvent être créés soit par l’ajout de charges solides. C’est le cas de la fabrication des éponges végétales où diverses charges peuvent être ajoutées, comme le décahydrate de sulfate de sodium [Chevalier et al 2003] ou des cristaux de mirabilite [Yamaguchi et al. 1997] D’autres techniques physiques permettent aussi de préparer des produits poreux à base de cellulose comme l’utilisation d’émulsions [Gao et al. 2010] ou à partir de la gélification de solutions de cellulose [Gavillon et Budtova, 2008].

Le produit le plus courant est l’éponge dite végétale préparée à base de viscose [Kvarnlöf 2006]. D’autres solutions de départ peuvent aussi être utilisées comme des solutions de cellulose dans la N-méthylmorpholine N-oxyde [Dalbe et Peguy 1988].

dites végétales. Ces éponges sont préparées par le procédé viscose et les pores qui permettront de stocker l’eau sont obtenus en mélangeant dans la pâte viscose des cristaux de tailles variées de décahydrate de sulfate de sodium (Na2SO4w10H2O). Ces cristaux fondent lors de la

régénération de la cellulose et laissent donc une structure très poreuse. Cette structure garde sa propriété de séchage et ré-absorption d’eau et ce après de nombreux cycles de séchage.

Par contre, si des éponges sont préparées à partir d’une solution de cellulose dans des solvants comme la N-methylmorpholine N-oxyde ou à partir de solution de carbamate de cellulose, et ce dans les mêmes conditions que les éponges viscose, c'est-à-dire en mettant un agent porophore pour faire des trous et les garder lors de la régénération, les éponges obtenues ne se ré-hydratent pas bien et montrent une très forte hornification [ref« travaux du Cemef non publiés »].

Notre travail a pour but d’essayer de comprendre pourquoi nous avons une telle différence de comportement selon la préparation de produits poreux. Les raisons peuvent en être multiples :

• différences de morphologie macroscopique de la structure poreuse • différences de morphologie au niveau de la surface des pores • différences de compositions chimiques de la surface des pores

• différences liées à l’élasticité et aux propriétés mécaniques des parois des pores • différences liées à l’influence du porophore

Afin de pouvoir proposer une ou des pistes de compréhension de ce phénomène, nous avons fait l’hypothèse que les différences de comportement et donc les différences d’hornification sont liées à la surface des pores et non à des propriétés beaucoup plus macroscopiques comme les propriétés mécaniques ou l’organisation macroscopique des pores dans le matériau. En effet, les matériaux cellulosiques poreux préparées à partir de différentes sources de cellulose ont à peu près la même structure macroscopique poreuse due à l’utilisation des agents porophores de tailles identiques et les propriétés mécaniques de la cellulose régénérée, bien que variant selon le procédé de préparation, reste dans une gamme de valeurs assez semblables. Par contre, nous pouvons supposer que les propriétés locales physiques, structurales ou chimiques de la surface des pores varient.

L’hornification est l’adhésion irréversible de deux surfaces d’un pore lors du séchage de celui-ci. Comme nous l’avons écrit, notre but est de comprendre en quoi la nature de la surface joue un rôle dans ce phénomène. Comme il est très difficile d’analyser la surface des

pores qui est souvent petite et surtout jamais plane, nous avons préparé des surfaces modèles identiques, mais de grandes tailles et planes, et ce dans deux conditions qui reproduisent ce qui se passe lors de la préparation de matériaux poreux :

1. des surfaces où la régénération-coagulation s’effectue au contact de l’air

2. des surfaces où la régénération-coagulation s’effectue au contact d’un porophore, dans notre cas le décahydrate de sulfate de sodium qui est utilisé industriellement pour générer une porosité dans les éponges préparées à partir du procédé viscose.

Nous nous appuierons sur les résultats de la bibliographie pour proposer une explication raisonnée de l’influence de la préparation des matériaux cellulosiques sur leurs propriétés d’hornification.

La première partie de ce chapitre est consacrée à une présentation des mécanismes proposés dans la littérature scientifique comme pouvant être responsables de l’apparition du phénomène d’hornification sur les produits obtenus à partir de la cellulose.

La deuxième partie décrit les matériaux et les méthodes utilisés dans le cadre de cette étude. La troisième partie décrit les résultats obtenus et les discute et la dernière partie présente les conclusions et perspectives de cette étude.