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1 - MISE EN ŒUVRE

2 - PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DES NANOCOMPOSITES

3 - PROPRIÉTÉS DE GONFLEMENT ET BARRIÈRE DES NANOCOMPOSITES

4 - PERSPECTIVES ET ÉVOLUTION

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : NM3491 v2

Mise en œuvre
Nanocomposites polymères à renfort cellulosique

Auteur(s) : Alain DUFRESNE

Date de publication : 10 mars 2023

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RÉSUMÉ

Parmi les utilisations des nanomatériaux cellulosiques, les nanocomposites polymères sont certainement celles qui présentent le plus fort intérêt. Ceci est lié à la fonction structurale de la cellulose. Avec un fort module et une surface spécifique importante, les nanomatériaux cellulosiques peuvent améliorer de manière significative les propriétés mécaniques des polymères. Cependant, comme pour tout nanomatériau, la dispersion homogène de ces nanoparticules est délicate et présente un défi majeur. Cet article décrit les stratégies de mise en œuvre de ces nanocomposites décrites dans la littérature, ainsi que les propriétés des matériaux obtenus.

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ABSTRACT

Cellulose reinforced polymer nanocomposites

Among the uses of cellulose nanomaterials, polymeric nanocomposites are certainly the one with the strongest interest. This is related to the structural function of cellulose. With a high modulus and a large specific surface area, cellulose nanomaterials can significantly improve the mechanical properties of polymers. However, as for any nanomaterial, the homogeneous dispersion of these nanoparticles is difficult and presents a major challenge. This article describes the strategies for the processing of these nanocomposites described in the literature, as well as the properties of the obtained materials.

Auteur(s)

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

INTRODUCTION

La hiérarchie de structure des fibres lignocellulosiques permet l’extraction de particules de taille nanométrique. Ces nanoparticules, appelées « nanocellulose » ou « nanomatériaux cellulosiques », englobent essentiellement les nanofibrilles de cellulose (CNF – Cellulose NanoFibrils), obtenues par voie mécanique, et les nanocristaux de cellulose (CNC – Cellulose NanoCrystals) obtenus par voie chimique. La cellulose est l’élément de structure des végétaux supérieurs. Il est donc logique que la principale application visée pour les nanoparticules cellulosiques consiste à exploiter cette propriété sous forme d’éléments de renfort de nanocomposites polymères. De nombreuses techniques, soit expérimentales soit théoriques, ont été utilisées pour déterminer le module de Young des matériaux nanocellulosiques . Une large gamme de valeurs a été rapportée. Cependant, la valeur moyenne du module est d’environ 100 GPa pour les CNF et 130 GPa pour les CNC  . Ces valeurs sont conséquentes et tout à fait compatibles avec l’élaboration de matériaux nanocomposites haute performance. Le module spécifique, c’est-à-dire le module normalisé par rapport à la densité du matériau, est souvent utilisé : en prenant en compte la densité de la cellulose cristalline (1,5-1,6 g.cm−3), on trouve des valeurs de module spécifique de l’ordre de 65 J.g−1 et 85 J.g−1 pour les CNF et CNC respectivement, valeurs nettement supérieures à celle de l’acier et du même ordre de grandeur que celle du Kevlar .

L’utilisation de nanocellulose comme « nano-additif » dans une formulation polymère permet d’améliorer non seulement les propriétés mécaniques du matériau, mais également les propriétés de barrière ou de résistance au gonflement. L’introduction de nanomatériaux cellulosiques dans les matériaux nanocomposites a été identifiée comme l’une des quatre plus grandes découvertes depuis l’an 2000 dans le rapport « Nanotechnology Research Directions for Societal Needs in 2020 » , et l’utilisation généralisée dans les nanotechnologies de matières premières renouvelables et abondantes comme étant le Saint Graal à atteindre et l’obstacle à surmonter.

Cet article débute par la présentation des différentes méthodes de préparation de matériaux nanocomposites à matrice polymère et renfort nanocellulose. Sont ensuite abordées les propriétés mécaniques des matériaux résultants. Puis sont développées l’influence de paramètres comme la morphologie des nanoparticules, le procédé de mise en œuvre, ainsi que la microstructure de la matrice et les interactions matrice-renfort. Enfin, sont brièvement évoquées les propriétés de gonflement et barrière de ces matériaux.

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KEYWORDS

cellulose   |   nanocrystals   |   nanofibrils   |   polymers   |   nanotechnology

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-nm3491

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1. Mise en œuvre

La principale difficulté associée aux nanoparticules est d’en réaliser une dispersion homogène au sein d’une matrice polymère. En effet, en diminuant la taille de la particule, la surface spécifique augmente rapidement, ce qui exacerbe leur tendance à l’auto-agrégation. La figure 1 montre l’évolution de la surface spécifique de cylindres cellulosiques en fonction de leur diamètre. On constate sur cette figure qu’en dessous d’un diamètre de 20 nm, c’est-à-dire dans la gamme de valeurs correspondant aux nanoparticules cellulosiques, la surface spécifique de celles-ci augmente très rapidement et atteint des valeurs de l’ordre de quelques centaines de m2·g–1. De plus, la cellulose présente une surface réactive avec une densité importante de groupements hydroxyle pouvant donner lieu à des interactions hydrogène, ce qui amplifie ce phénomène d’auto-agrégation. La maîtrise du procédé d’élaboration des matériaux nanocomposites à base de nanocellulose est donc primordiale car elle va conditionner l’état de dispersion des nanoparticules permettant de conserver la dimension nanométrique, et donc les propriétés du matériau final. Les différentes stratégies rapportées dans la littérature sont résumées en figure 2. Une étude récente a présenté un ensemble complet de théories et de méthodes permettant d’évaluer directement la compatibilité et la dispersibilité des CNC et CNF dans quatre matrices polymères présentant des polarités différentes, où la compatibilité a été évaluée par la solubilité de Hansen et la dispersibilité par cartographie Raman et analyse des agrégats .

1.1 Milieu liquide

HAUT DE PAGE

1.1.1 L’eau

Les...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - DUFRESNE (A.) -   Nanocellulose: from nature to high performance tailored ma-terials.  -  Walter : 2nd Ed., De Gruyter GmbH, Berlin/Boston (2012).

  • (2) - DUFRESNE (A.) -   Mater.  -  Today, 16, 220 (2013).

  • (3) - ROCO (M.C.), MIRKIN (C.A.), HERSAM (M.C.) -   Nanotechnology Research Directions for Society Needs in 2020.  -  WTEC Panel Report, Springer, Boston and Berlin (2010).

  • (4) - WANG (Y.), YU (Z.), DUFRESNE (A.), YE (Z.), LIN (N.), ZHOU (J.) -   ACS Nano.,  -  15, 20148 (2021).

  • (5) - FAVIER (V.), CANOVA (G.R.), CAVAILLE (J.Y.), CHANZY (H.), DUFRESNE (A.), GAUTHIER (C.) -   Polym. Adv. Technol.,  -  6, 351 (1995).

  • (6) - HELBERT (W.), CAVAILLE (J.Y.), DUFRESNE (A.) -   Polym. Compos.,  -  17, 604 (1996).

  • ...

1 Sites Internet

TAPPI Nanocellulose Video – Rethink Paper

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

HAUT DE PAGE

2 Événements

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

http://www.tappinano.org

HAUT DE PAGE

3 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...

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