Panneaux ligno-cellulosiques

Nous nous sommes intéressés aux panneaux préparés à partir de fibres naturelles issues de plantes annuelles et d’un co-produit de l’industrie du papier, le sulfonate de lignine ou lignosulfonate. On utilise dans ce procédé la capacité qu’à la lignine à lier la matière végétale. Dans un premier temps, nous avons préparé par compression à chaud des panneaux composés à 70% massique de fibres de variétés différentes. Les fibres de lin ont permis de fabriquer les panneaux les plus résistants mécaniquement. L’étude de ces mélanges nous a permis de développer des stratégies d’amélioration visant à augmenter l’interaction entre les fibres de lin et la matrice de lignosulfonate afin d’améliorer les propriétés mécaniques des panneaux. Ainsi, un traitement chimique de la fibre permet d’extraire les cires présentes sur la

Synthèse et Perspectives

159

surface et d’améliorer l’interaction fibre-lignosulfonate. Les panneaux ainsi préparés présentent une résistance à la flexion améliorée. Nous avons aussi étudié l’ajout d’un nouveau type de compatibilisant, les pectines, qui apparaissent jouer un rôle clé dans l’interaction entre les fibres de lin et la matrice de lignosulfonate, renforçant ainsi les propriétés mécaniques des panneaux. L’incorporation de pectine permet de conserver le caractère renouvelable du matériau et sa manipulation est plus aisée, moins coûteuse et plus sûre que les traitements chimiques développés dans ce travail.

Ceci étant, l’extraordinaire complexité de la biosynthèse capable de mélanger finement les différents composés d’une fibre végétale et d’en tirer les meilleures synergies est absente de notre mise en forme. Les composites que nous avons préparés n’ont pas des propriétés comparables à celles de composite optimisés. Il est possible de dégager plusieurs voies pour améliorer les propriétés des composites :

1. Améliorer les propriétés de la matrice. Ceci peut se faire par différentes voies, la plus

étudiées est la modification chimique. Dans notre étude, il pourrait être intéressant de renforcer notre matrice lignosulfonate par les nanocharges d’hydroxyde double lamellaire que nous avons étudiés au chapitre 5 « Nanocomposite hybride biosourcé » et qui montrent en plus d’un renforcement mécanique une capacité à bloquer les composés volatils responsable de l’odeur caractéristique des lignines.

2. Améliorer l’interface lignine-fibres. L’étude sur l’ajout de pectine a montré un grand

intérêt dans l’amélioration de l’interaction fibre-matrice des panneaux. Une étude plus approfondie sur l’impact du type de pectine permettant le renforcement de l’interaction fibre-matrice pourrait être intéressante. D’autre part, les traitements chimiques permettant d’attaquer la couche cireuse des fibres a montré des résultats intéressants dans le renforcement des propriétés mécaniques. L’épiderme des végétaux pourraient aussi être complètement supprimé par des traitements enzymatiques en préservant la qualité des fibres. Les fibrilles de cellulose seraient alors plus accessibles pour former des interactions avec la lignine et l’adhésion pourrait en être améliorée.

3. Améliorer les propriétés des fibres. C’est très difficile à faire à notre niveau. Une

sélection de variétés plus adaptées au renforcement des composites est en cours chez les producteurs de fibres. L’utilisation d’autres fibres d’origine renouvelable telle que la cellulose régénérée ou les déchets d’éponges végétales pourrait être étudiée.

2.

Compaction/Déstructuration de la cellulose sous haute

pression

Les limites dans l’élaboration de matériaux à partir de cellulose par dissolution- coagulation ou dérivation nous ont poussés à développer une nouvelle démarche de mise en forme de la cellulose. Inspiré du procédé de frittage des poudres métalliques ou céramiques, la cellulose subit une compression à haute pression et sous température. Nous avons ainsi

Synthèse et Perspectives

construit une presse permettant de comprimer jusqu’à 2,5 GPa des échantillons de cellulose de quelques millimètres de diamètre. Nous avons pu produire des disques blancs et compacts de fibres de coton. Les techniques de nanoindentation et d’analyse mécanique dynamique (DMA) ont été utilisés afin d’évaluer les propriétés mécaniques des échantillons de coton comprimés. Cette première étude nous a permis de fixer un protocole de mise en forme et de caractérisation de ce type de matériau. Les observations morphologiques des échantillons ont montré une déstructuration, sous l’effet de la pression, des fibres de coton. L’étude d’un panel de cotons aux propriétés variées nous a permis de déterminer un paramètre influent de cette compression. La finesse de la fibre joue un rôle important dans la déstructuration des microfibrilles, plus le diamètre de la fibre est important (c’est-à-dire que sa finesse est élevée) moins les fibres sont résistantes et plus le phénomène de déstructuration se produit sous l’effet de la pression.

Malgré des perspectives nouvelles dans l’élaboration de matériaux cellulosiques sans étape de dissolution-coagulation ou de dérivation, le degré de déstructuration de la fibre n’est pas suffisant pour permettre une « quasi-fusion » de la cellulose et ainsi mener à la production d’échantillons transparents. Il est cependant possible de dégager différentes améliorations et perspectives :

1. Améliorer le protocole de mise en forme et la caractérisation. L’étude s’est portée sur

un nombre restreint d’échantillon. Il serait intéressant de dupliquer les mesures pour obtenir des résultats plus fiables. La caractérisation plus approfondies des fibres de coton initiales serait elle aussi intéressante, notamment la caractérisation du degré de polymérisation ou l’analyse mécanique par nanoindentation des fibres initiales de coton. Gindl et al.2 ont ainsi récemment mesurés par nanoindentation le module élastique de fibre de cellulose régénérée.

2. Étendre les sources de matières fibreuses. L’étude sur la variété de coton, qui a

montré une différence selon la finesse de la fibre initiale, pourrait être élargis à d’autres fibres cellulosiques : fibre de plantes annuelles (lin, chanvre…), pâte de bois, cellulose bactérienne, fibre de cellulose régénérée.

3. Traitements des fibres. L’impact de la fibre initiale sur le degré de déstructuration

semble grand. Il serait aussi intéressant de travailler sur un pré-traitement des fibres (chimique ou enzymatique) qui permettraient d’aider la déstructuration, voire une « quasi-fusion » de la cellulose.

4. Impact sur la cristallinité. L’étude de l’évolution de la cristallinité de la cellulose sous

pression pourrait être explorée davantage afin de déterminer si un changement de la maille cristalline de la cellulose peut être induit après un essai de compaction à haute pression.

2 _{Gindl, W.; Reifferscheid, M.; Adusumalli, R-B.; Weber, H.; Röder, T.; Sixta, H. & Schöberl, T.}

(2008). Anisotropy of the modulus of elasticity in regenerated cellulose fibres related to molecular

Synthèse et Perspectives

161

3.

Nanocomposite hybride biosourcé

Les propriétés des matériaux biosourcés sont souvent trop limitées pour être utilisés dans des applications durables à haute valeur ajoutée. Le développement des nanocomposites biosourcés et des mélanges de polymères biosourcés permet parfois de répondre à cette demande en alliant les polymères conventionnels et matériaux biosourcés. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressés à des nanocomposites alliant à la fois une matrice biosourcée, l’amidon thermoplastique ainsi qu’une nanocharge, les hydroxydes doubles lamellaires modifiés par la lignosulfonate (HDL/LS). Nous avons ainsi caractérisé cette nanocharge HDL/LS dans une matrice d’amidon et utilisé ce matériau dans un mélange de polymère de type polyéthylène. Nous avons obtenu, par ajout d’une faible quantité d’HDL/LS (1%), une amélioration des propriétés mécaniques et de perméabilité de l’amidon. Le processus d’intercalation de lignosulfonate dans des hydroxydes double lamellaire a permis une réduction significative du dégagement de composés organiques volatils responsable de l’odeur caractéristique des lignosulfonates. L’incorporation de ce matériau, amidon nanochargé HDL/LS, dans une matrice de type polyéthylène a permis une augmentation de la part biosourcée dans le matériau final qui conserve la ténacité du polyéthylène tout en diminuant sa perméabilité à l’oxygène.

Cette première étude a permis de fixer un cadre d’étude pour les nanocharges HDL/LS et permet de dégager des voies d’amélioration et des perspectives :

1. Mise en forme des nanocomposites amidon-HDL/LS. La formulation de ce

matériau pourrait être optimisée afin d’améliorer les proportions des différents constituants et notamment celle des plastifiants (glycérol, eau ou autres plastifiants connus de l’amidon). L’ordre de mélange entre amidon, nanocharge et plastifiant est d’une grande importance pour l’obtention de nanocomposite exfolié. De même le mélange entre matrice de type polyéthylène et nanocomposite amidon pourrait être optimisé.

2. Résistance au feu. Une propriété intéressante pour ce type de nanocomposite est

leur capacité de résistance au feu. Il serait intéressant de tester cette propriété sur des nanocomposites préparés à partir d’HDL/LS. De plus, les lignosulfonates sont déjà étudiées pour leur résistance au feu notamment grâce à leur teneur en carbone et leur capacité à former une couche protectrice intumescente de carbone3_.

3 _{Réti, C.; Casetta, M.; Duquesne, S.; Bourbigot, S. & Delobel, R. (2008). Flammability properties}