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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

Propriétés de gonflement et barrière des nanocomposites
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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3. Propriétés de gonflement et barrière des nanocomposites

Les propriétés de gonflement d’un film polymère par un liquide ou une vapeur, ou les propriétés de barrière aux gaz, sont des problématiques importantes, notamment pour des applications dans le domaine de l’emballage. Pour assurer une fonction d’emballage, un matériau doit présenter des propriétés mécaniques, optiques et barrière adaptées. Si les propriétés mécaniques de la nanocellulose sont étudiées depuis de nombreuses années, ce n’est que très récemment que ses propriétés barrière ont suscité l’intérêt. La plupart des matériaux utilisés pour les emballages, notamment alimentaires, sont essentiellement issus de polymères pétrochimiques non biodégradables. La principale raison de leur utilisation est liée à leur facilité de mise en forme, leur faible coût, et leurs excellentes propriétés barrière, notamment vis-à-vis des liquides. Ces performances ne sont, cependant, pas toujours valables pour la vapeur d’eau, les odeurs, arômes et parfums. En outre, la faible perméabilité de la cellulose peut être accentuée par la nature hautement cristalline des nanomatériaux cellulosiques et leur capacité à former un réseau percolant dense. De plus, si des interactions particule/polymère fortes existent, ces petites particules ont une plus grande capacité de liaison avec le polymère matriciel, réduisant ainsi la mobilité des chaînes segmentaires interfaciales, et donc la diffusivité du pénétrant.

L’utilisation de particules nanométriques perturbe fortement ces propriétés du fait d’un effet de tortuosité (figure 17). Ces aspects ont été développés par ailleurs pour les nanoparticules cellulosiques et les nanocomposites à base de nanocellulose [RE 350].

Les propriétés barrière à la vapeur d’eau et au gaz ont été étudiées pour des films de cellulose pure (essentiellement CNF) ou des nanocomposites polymères. De bonnes propriétés...

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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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