Dans un grand nombre d’applications, la lignine est utilisée en tant que polymère avec très peu de modifications, voire aucune. Bien que la plupart de ces applications soient commerciales, elles sont généralement de faible valeur ajoutée et sont situées sur des marchés où la croissance est faible.
Agent dispersant dans les bétons et ciments
Près d’un million de tonnes de lignosulfonates est employé chaque année par l’industrie de la construction dans les ciments et bétons. C’est de loin l’application commerciale la plus importante à l’heure actuelle52. Les lignosulfonates y sont utilisées comme plastifiant et dispersant. En effet, l’ajout de 0,1 à 0,3 % (w/w) de lignines dans des mélanges de ciment permet d’augmenter leur fluidité. Le ciment devient ainsi plus maniable et il est possible de diminuer la quantité d’eau dans le mélange jusqu’à 15 %53. Les ciments obtenus sont plus denses et résistants. Les principaux atouts des lignines pour ce type d’applications sont leur faible coût et leur non toxicité. Cependant leurs performances sont moins bonnes que celles d’autres plastifiants synthétiques, et les contraintes de plus en plus exigeantes liées à la construction nécessitent l’emploi de « super plastifiants » de type polycarboxylates.
Fibres de carbone / noir de carbone
La structure aromatique et le taux élevé de carbone de la lignine en font un candidat de choix comme précurseur de fibres de carbone ou comme substitut au noir de carbone. Depuis le début des années 90, des fibres de carbone sont obtenues à partir de lignine selon le procédé « melt spinning » suivi d’une carbonisation (traitement à haute température sous une atmosphère d’azote et d‘hydrogène)54. Acétyler la lignine avant le traitement permet de faciliter l’étape de melt spinning (Figure 15)55. Après extrusion, les fibres de carbone obtenues présentent de bonnes caractéristiques mécaniques. Elles représentent une alternative biosourcée et peu coûteuse aux fibres conventionnelles synthétisées à partir de polyacrylonitrile.
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Figure 15 : Synthèse de fibres de carbone à partir de lignine acétylée55
Association lignine – polymères
La lignine peut être incorporée dans des matrices polymères soit comme charge de faible coût, soit comme additif permettant l’amélioration des propriétés du matériau. Les principales améliorations que la lignine peut apporter incluent la stabilisation aux UV, l’apport de propriétés antibactériennes, le renfort mécanique et thermique, ou encore la baisse de toxicité du matériau. Un des challenges les plus importants réside dans la modification chimique de la lignine afin d’améliorer sa compatibilité avec les polymères. Il s’agit de trouver un procédé efficace, économiquement viable, et adaptable à tout type de lignines.
Melt spinning Carbonisation
Les polyuréthanes (PU) sont traditionnellement synthétisés à partir de polyols et de di- ou poly-isocyanates57. Le nombre important de groupements hydroxyle contenus dans la lignine permet son emploi comme substitut des polyols dans la formulation de polyuréthanes. Avant la synthèse du PU, la lignine est généralement fonctionnalisée avec de l’oxyde de propylène afin d’améliorer sa fluidité et d’augmenter sa réactivité58. Il a été montré que les mousses contenant de la lignine présentent une meilleure tolérance aux conditions de température et d’humidité élevées, ce qui limite l’émission d’espèces volatiles toxiques lors de la dégradation du matériau. Les PU classiques sont cependant plus résistants à l’abrasion. Bien que cette voie de valorisation des lignines soit prometteuses, celle-ci n’est pas encore réaliste économiquement : les polyols aromatiques employés actuellement sont des sous-produits à très bas prix issus de la synthèse du PET53.
Les lignines peuvent être incorporées dans des polymères de type polyoléfines tels le polyéthylène (PE) ou le polypropylène (PP). La compatibilité entre la lignine et les polymères est généralement assurée par l’époxydation de la lignine et l’utilisation de l’anhydride maléique comme agent de liaison59. Les propriétés anti-oxydantes de la lignine permettent d’améliorer la stabilité des polymères aux rayonnements UV60. Par ailleurs, les matériaux contenant de la lignine présentent des propriétés mécaniques supérieures, la lignine agissant comme plastifiant.
Enfin de nombreuses études ont été menées pour développer l’association de la lignine avec d’autres polymères d’origine naturelle (amidon, protéine…) afin de créer des matériaux respectueux de l’environnement. Par exemple, des mélanges poly(acide lactique) (PLA)/lignine ont permis la production à l’échelle pilote de films biodégradables destinés à l’emballage61.
Résines et adhésifs
L’utilisation de lignine en remplacement des phénols dans les résines phénol-formaldéhyde a été grandement étudiée38,62,63. Ces résines sont principalement utilisées comme adhésifs dans les panneaux de fibres de bois. La structure en réseau aromatique de la lignine est déjà proche de celle des résines phénol-formaldéhyde, ce qui permet son incorporation sans traitement préalable. Les lignines ne contenant pas de soufre sont à
La lignine peut également être utilisée pour la synthèse de résines de type époxy. Cette application nécessite l’emploi de lignines non soufrées, non ioniques et de grande pureté. C’est pourquoi les lignines Organosolv sont majoritairement utilisées. Il existe de nombreuses formulations possibles pour ce genre de résine. La stratégie la plus communément employée consiste à époxyder la lignine, puis à la réticuler avec des molécules de type diamine65. La lignine peut également être incorporée directement dans des résines époxy de faibles masses molaires. Pour des raisons de solubilité, il est alors nécessaire de remplacer les solvants communément utilisés dans les procédés déjà en place. Il est possible d’intégrer jusqu’à 50 % de lignine au sein de ces composites65. La société IBM a évalué les caractéristiques de résines contenant de la lignine pour l’élaboration de circuits imprimés. Il a ainsi été montré que l’utilisation de ces résines en remplacement des résines classiques permettait une économie d’énergie de 40 % pour des performances égales66.
Adsorbant de métaux lourds
L’utilisation de la lignine comme adsorbant de métaux lourds est une voie de valorisation émergente et prometteuse. La lignine est capable de chélater une grande variété d’ions métalliques tels le cuivre, le cadmium ou le plomb67. Son utilisation en tant qu’adsorbant pour la dépollution des eaux usées représente une solution peu couteuse et respectueuse de l’environnement. Les propriétés chélatantes de la lignine peuvent être améliorées par l’ajout de groupements amine ou ammonium quaternaire, ou par oxydation dans le but d’augmenter le nombre de fonctions acide carboxylique. Des composites lignine/polyaniline se sont montrés efficaces pour l’adsorption d’ions Au(III)68.