Nous ne pouvons plus ignorer que nous vivons dans une société où la demande en pétrole pour l’énergie et les applications chimiques croît et se développe toujours davantage, année après année, sans signe d’essoufflement. C’est ainsi que les produits pétroliers ont envahi notre quotidien, ce qui ne pourra pas continuer indéfiniment car les réserves de cette ressource fossile sont en voie d’épuisement.
Dans ce contexte dominé par la nécessité absolue d’économiser les combustibles fossiles et de réduire notre dépendance à eux, combiné à d’autres problèmes environnementaux majeurs comme le réchauffement climatique et la pollution de l’air et des eaux, un intérêt croissant de la communauté scientifique pour la recherche d’une chimie durable est né, avec de plus en plus d’alternatives crédibles aux produits pétrochimiques sur la base de matières premières renouvelables. La société aussi semble avoir commencé à prendre conscience de l’écologie, et à accompagner favorablement la production de produits compatibles avec l’environnement.
Plus concrètement, le monde de l’isolation thermique et de l’isolation du bâtiment en général est en train de changer. Alors que jusqu’à présent seuls comptaient le coût et l’efficacité des matériaux, il y a à l’heure actuelle une tendance croissante dans ce marché à évaluer d’autres paramètres tels que la performance environnementale, avec une isolation écologique pour un habitat sain. Les isolants écologiques sont devenus plus importants en raison de leurs caractéristiques renouvelables, de leur faible énergie grise associée, de leur innocuité, de leur faible coût, de leur facilité d’accès, de leur absence ou de leur moindre contenu en ressources fossiles, etc. Certains matériaux isolants thermiques tels que le liège, la ouate de cellulose, la fibre de bois ou même la laine, notamment, sont déjà sur le marché et sont des alternatives « vertes » aux – jusqu’à présent – incontournables isolants comme la mousse de polyuréthane ou le polystyrène extrudé, certes plus performants thermiquement dans l’absolu.
Dans cet esprit d’innovation technologique favorisant l’émergence de nouveaux matériaux biosourcés et multifonctionnels, des mousses de tanin dérivés à plus de 90% à partir de substances naturelles ont été développées. Ces mousses polymères sont constituées à plus de 50% en masse de tanins condensés, i.e., de composés végétaux de nature phénolique extraits
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principalement d’écorces de bois, et présentant des propriétés chimiques qui leur donnent un grand potentiel dans la synthèse de nouveaux polymères.
Depuis quelques années, différentes méthodes pour préparer des mousses à base de tanin ont été développées et étudiées. La plupart des études réalisées avec ces mousses se sont focalisées sur leurs principales propriétés. Et de fait ces mousses solides, en raison de leur structure cellulaire associée à une faible densité, d’un fort pouvoir isolant thermique et d’une excellente résistance au feu, entre autres, constituent a priori une alternative très intéressante aux mousses phénoliques synthétiques commerciales et aux polyuréthanes dans diverses applications.
Les travaux de cette thèse ont été réalisés dans le cadre du projet FUI (fonds unique interministériel) « BRIIO – BiosouRced InsulatiIOn », financé par la banque publique d’investissement (BPI). Les partenaires de ce projet sont une ETI (Entreprise de Taille Intermédiaire) qui pilote le projet, et une PME (Petite et Moyenne Entreprise), toutes deux françaises et associées à deux organismes de recherche : Université de Lorraine et CNRS. L’objectif du projet BRIIO était la fabrication d’un nouveau produit pour l’isolation thermique des bâtiments avec des matériaux biosourcés peu valorisés jusqu’à présent et économiquement attractifs, susceptibles d’être mis sur le marché à court ou moyen terme. Ce nouveau produit, dans notre cas des mousses de tanin, permettrait ainsi de répondre à toutes les demandes du marché : performances, prix, moindres impacts environnementaux sur le cycle de vie complet, facilité de mise en œuvre, faible densité, valorisation de ressources naturelles, etc.
Afin d’atteindre ces objectifs, il a été nécessaire d’étudier les mousses de tannins du point de vue de leur application, et d’imaginer les problèmes qui pourraient être rencontrés lors de leur utilisation. D’une manière générale, quelques-uns des points faibles qui ont été étudiés et analysés tout au long de la thèse sont leur affinité pour l’eau, qui rend leurs propriétés sensibles aux conditions ambiantes, ainsi que leurs propriétés mécaniques qui doivent être améliorées sans pour autant compromettre leur conductivité thermique. Par ailleurs, les propriétés au feu d’une nouvelle génération de mousses obtenue par foisonnement à l’air d’une formulation liquide, ainsi que la manière dont les différents paramètres de synthèse affectent les mousses rigides finales afin d’en optimiser la formulation, ont été abordées.
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La thèse est ainsi structurée de la manière suivante. Le premier chapitre est un état de l’art qui rappelle le contexte actuel des matériaux d’isolation thermique, et qui donne toutes les informations utiles concernant les tanins ainsi qu’une synthèse résumant ce qui est connu à propos des mousses dérivées. Le second chapitre décrit la réalisation de mousses solides par durcissement de mousses liquides, ainsi que l’étude des paramètres qui affectent la stabilité de ces mousses liquides et leur impact sur la mousse rigide finale. Les propriétés hygroscopiques des mousses et un moyen de les rendre plus hydrophobes sont ensuite décrits dans le troisième chapitre. Dans le quatrième chapitre, des mousses tanin-alcool furfurylique exemptes de formaldéhyde, d’agent moussant et d’isocyanate ont été préparées, et leurs propriétés ont été optimisées pour obtenir des matériaux qui soient à la fois bien isolants thermiquement et suffisamment résistants mécaniquement. Le cinquième chapitre est consacré aux propriétés au feu des mousses, en étudiant soigneusement comment les différents aspects de la formulation affectent les différents paramètres caractérisant la tenue au feu de ces matériaux. Enfin, une méthode non destructive de mesure des propriétés mécaniques des mousses est présentée dans le dernier chapitre, et comparée avec la méthode classique pour laquelle une variante est proposée, conduisant à des valeurs bien plus représentatives du module de compression.
Etant donné que la thèse a été réalisée dans le cadre d’un projet où des entreprises françaises sont impliquées, certains des résultats sont confidentiels et n’ont donc pas été présentés. En d’autres termes, un travail bien supérieur a été réalisé mais seuls les résultats ayant un intérêt académique n’interférant pas avec les développements industriels en cours ont été rapportés ici. Finalement, après la conclusion, une liste des publications, parues et soumises, et des communications, orales ou écrites, est fournie.