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Article

1 - CELLULOSE ET MATÉRIAUX CELLULOSIQUES

2 - NANOFIBRILLES DE CELLULOSE

3 - NANOCRISTAUX DE CELLULOSE

4 - MARCHÉS POTENTIELS POUR LA NANOCELLULOSE

5 - PERSPECTIVES ET ÉVOLUTION

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : NM3490 v2

Perspectives et évolution
Nanomatériaux cellulosiques

Auteur(s) : Alain DUFRESNE

Date de publication : 10 févr. 2023

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RÉSUMÉ

La cellulose est l'élément de structure des végétaux et se présente sous la forme de microfibrilles cristallines aux propriétés physiques axiales proches de celles du cristal parfait. Cette caractéristique morphologique autorise l'extraction de nanoparticules. Un cisaillement mécanique permet la libération de microfibrilles individualisées. Le clivage longitudinal de ces microfibrilles peut être obtenu par hydrolyse acide. Cet article décrit les procédés d'obtention de ces nanomatériaux, leur morphologie et les marchés potentiels. Avec un module de Young de l'ordre de 100-130 GPa et une surface spécifique de plusieurs centaines de m2.g-1, de nouvelles propriétés peuvent être envisagées pour la cellulose sous forme nanométrique.

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ABSTRACT

Cellulose nanomaterials

Cellulose is the structural component in plants, where it occurs as crystalline microfibrils that have axial physical properties approaching those of perfect crystals. This morphological feature allows the extraction of nanoparticles. Multiple mechanical shearing actions allow the release of variably individualized microfibrils. Longitudinal cleavage of these microfibrils can be achieved by a strong acid hydrolysis treatment. This article describes the processes for obtaining these nanomaterials, their morphology and their potential markets. A Young's modulus in the range 100–130 GPa and a specific surface area of several hundred m2.g-1 lend nanometric cellulose promising properties.

Auteur(s)

  • Alain DUFRESNE : Professeur à l’Institut polytechnique de Grenoble - Docteur en électronique de l’INSA de Toulouse

INTRODUCTION

L’industrie papetière est un secteur industriel traditionnel et mature. Elle joue un rôle déterminant dans le développement de la forêt et de la filière bois. Elle doit donc être considérée comme un secteur stratégique de l’industrie car elle participe à l’aménagement du territoire et contribue, pour une part, à la protection de l’environnement. Malgré l’apparition de nouveaux supports d’écriture et de lecture, comme les documents électroniques et le papier numérique, la consommation de papier ne cesse de croître. Ce phénomène est bien entendu lié à la possibilité de fabrication de papier à partir de différentes espèces végétales, dont certaines présentent des conditions de culture avantageuses dans certaines régions du globe, et à proximité des consommateurs. Des délocalisations se poursuivent actuellement, non seulement vers l’Asie, mais aussi en Amérique du Sud et à l’intérieur même de l’Europe. Les secteurs forestiers traditionnels sont touchés de plein fouet par la concurrence grandissante des pays émergents. Cependant, la situation des industries graphiques et papetières, traditionnellement situées aux États-Unis, au Canada et en Europe du Nord, est délicate et les difficultés ne font que s’aggraver. Il est donc nécessaire de raviver les secteurs forestiers en permettant une utilisation plus diversifiée des fibres papetières. La mise au point et la production de matériaux à haute valeur ajoutée sont donc importantes pour la survie de ces industries. L’émergence des nanosciences et des nanotechnologies, et l’engouement suscité par celles-ci ouvrent la voie à de nouveaux marchés de niche pour le secteur forestier, plus particulièrement en permettant la création de nouveaux matériaux et dispositifs.

La morphologie particulière des fibres lignocellulosiques permet d’envisager l’extraction de particules de taille nanométrique. Ce matériau, parfois appelé « nanocellulose », a suscité depuis quelques années un intérêt grandissant dans la communauté scientifique, et l’émergence de nouveaux groupes de recherche laisse présager une accélération des découvertes. La production industrielle est maintenant devenue une réalité et nombreuses sont les industries papetières qui se sont orientées dans cette voie prometteuse. L’orientation première des recherches allait vers les papiers renforcés et les emballages, mais la nanocellulose démontre des qualités bien plus variées et laisse entrevoir des applications quasi illimitées dans des secteurs en quête de l’infiniment petit.

Cet article débute par la présentation de la microstructure des fibres cellulosiques. Sont ensuite abordées les stratégies permettant l’extraction de particules de taille nanométrique par des voies mécaniques ou chimiques, ainsi que les caractéristiques des suspensions aqueuses et la morphologie des nanoparticules ainsi obtenues. Enfin, sont brièvement évoqués les applications potentielles de ces nanomatériaux cellulosiques et les marchés pouvant être impactés, découlant de leurs caractéristiques spécifiques.

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KEYWORDS

nanotechnology   |   cellulose   |   nanocrystals   |   nanofibrils   |   polymers

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-nm3490

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5. Perspectives et évolution

Les nanotechnologies représentent une force dominante en matière de croissance économique au cours des prochaines décennies et elles devraient constituer une plateforme stratégique en matière de développement. Les chiffres ne trompent pas : les économistes considèrent que les nanotechnologies pourraient être à l’origine d’une nouvelle révolution industrielle pour le XXIe siècle. Le revenu mondial généré en 2001 était supérieur à 40 milliards d’euros et est passé à 700 milliards d’euros en 2008 pour atteindre 1 000 milliards d’euros en 2010. Le bois et la fibre de bois peuvent être transformés en nanomatériaux et en produits intermédiaires à haute valeur ajoutée, qui pourraient être utilisés pour fabriquer une variété de produits perfectionnés tout à fait uniques. Bon nombre des nouveaux produits auront pour base un nanomatériau dérivé des plantes : la nanocellulose. Ce nanomatériau est vraisemblablement promis à un brillant avenir. Les travaux de recherche démontrent qu’il est doté de propriétés remarquables, dont certaines sont tout à fait uniques, et d’autres comparables à celles de nanomatériaux bien connus.

La nanocellulose provient de la cellulose, la vulgaire pâte de bois dont on fait le papier journal ou le papier hygiénique, et peut être extraite de façon économique des arbres ou de plantes annuelles. Les nanomatériaux cellulosiques sont en cours de développement pour une utilisation sur une large gamme d’applications, même si un nombre élevé d’inconnues et de champs inexplorés demeurent à ce jour. Des centaines de publications scientifiques et d’experts montrent leur potentiel, même si la plupart des études se concentrent sur leurs propriétés mécaniques en tant que phase de renfort et de leurs propriétés d’auto-assemblage sous forme de cristaux liquides. Les marchés impactés par la nanocellulose comprennent de nombreux secteurs. On peut donc aisément imaginer dans les dix prochaines années l’arrivée de nouveaux matériaux dits « actifs » ou « ultra-intelligents », permettant la traçabilité, la conservation des aliments, la protection contre la falsification… à partir de nanocellulose. À l’heure où la planète se penche enfin sur la question de la durée de vie des produits et de leur conception écologique,...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - WHISTLER (R.L.), RICHARDS (E.L.) -   The Carbohydrates.  -  2A, Academic Press, New York, p. 447 (1970).

  • (2) - SAKURADA (I.) NUKUSHINA (Y.), ITO (T.) -   J. Polym. Sci.,  -  57, 651 (1962).

  • (3) - TASHIRO (K.), KOBAYASHI (M.) -   Polymer,  -  32, 1516 (1991).

  • (4) - ŠTURCOVA (A.), DAVIES (G.R.), EICHHORN (S.J.) -   Biomacromolecules.  -  6, 1055 (2005).

  • (5) - IWAMOTO (S.), KAI (W.), ISOGAI (A.), IWATA (T.) -   Biomacromolecules.  -  10, 2571 (2009).

  • (6) - DUFRESNE (A.) -   Nanocellulose : from nature to high performance tailored materials.  -  2nd Ed.Walter De Gruyter GmbH, Berlin/Boston (2017).

  • ...

1 Sites Internet

TAPPI Nanocellulose Video – Rethink Paper

https://www.youtube.com/watch?v=R3HH4iN8aDM

Événements

TAPPI International Conference on Nanotechnology for renewable Materials, (congrès – tous les ans)

http://www.tappinano.org

Production de nanocristaux de cellulose

Alberta Innovates Technology Futures, Canada

https://albertainnovates.ca/programs/alberta-bio-future/cnc-challenge-3-0/

Blue Goose Biorefineries, Canada

http://bluegoosebiorefineries.com/

CelluForce, Canada

http://celluforce.com

Melodea, Israel

http://www.melodea.eu/

Production de nanocristaux et nanofibrilles de cellulose

The University of Maine, USA

https://umaine.edu/pdc/nanocellulose/nanocellulose-products/US

Forest Service’s Forest Products Laboratory, USA

http://www.fpl.fs.fed.us/research/facilities/nanocellulose_pilot-plant.php

Production de nanofibrilles de cellulose

Akzo Nobel, Pays-Bas

https://www.akzonobel.com

American Process Inc, USA

https://americanprocess.com/News-First-Nanocellulose-Patent-Nov-2015.aspx

Borregaard, Norvège

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