Modification de la MNFC et incorporation de charge

Définition et objectif du projet de thèse

Pour compenser la baisse de la demande du papier journal, l’industrie papetière doit trouver d’autres alternatives pour utiliser la TMP dans le papier emballage. Ainsi le projet de recherche Arboranano au sein de l’UQTR vise à créer de nouveaux produits à base de TMP. L’objectif général du projet UQTR dans le réseau Arboranano est de combiner de la pâte thermomécanique TMP avec de la Micro-Nano-Cellulose Fibrillée (MNFC) pour développer de nouvelles propriétés et de nouveaux produits d’emballage. Dans l’approche industrielle du projet, des catégories fonctionnalisées de papier de pâte TMP et de carton sont ciblées et par la suite fabriquées à l’aide de la structuration par la MNFC en présence des nanopigments. L’objectif du projet de thèse est de développer des connaIssances sur l’effet de l’inclusion de la MNFC dans la structure de feuilles de papier de pâte TMP, plus spécifiquement de comprendre comment l’inclusion de MNFC dans l’épaisseur (en direction z) d’un papier peut modifier à la fois les propriétés barrières et mécaniques de papiers d’emballage à base de TMP.

Pour ce faire, nous proposons d’introduire la MNFC avec différents positionnements dans l’épaisseur de la feuille de manière à en maximiser la rétention. Le but est d’obtenir des produits avec des propriétés macroscopiques mécaniques et barrières supérieures aux produits existants sur le marché en réduisant ou en supprimant l’utilisation des produits dérivé du pétrole, donc d’origines fossile, et/ou de la pâte chimique. Ainsi, les travaux menés au cours de notre doctorat avaient pour objectif de comprendre les changements structuraux d’un réseau multicouches de fibres; à savoir une feuille de TMP lorsque des nanomatériaux tels que la MNFC et des pigments, nano structurés ou non, y sont intégrés. Le lien entre la structure et les propriétés macroscopiques observées est plus spécifiquement étudié. Cette compréhension permettra de concevoir et de réaliser des structures avec des propriétés mécaniques et barrières contrôlées.

La structuration en z du papier est contrôlée par la réalisation de stratifiés, c. -à-do de structures multicouches, sur une formette dynamique (DSF). Par exemple, une première couche de fibres pourra comprendre des fibres TMP alors qu’une seconde couche pourra comprendre un mélange de MNFC et de pigments. Plusieurs configurations multicouches seront analysées. La thèse est structurée en cinq parties réparties sur neuf chapitres. La première partie vise à situer la présente étude dans ses contextes notamment économique ainsi que l’objectif général du travail (chapitre 1). Dans une deuxième partie, l’emphase est mise sur les méthodes de production de la micro-nano-cellulose fibrillée (MNFC) de même que les prétraitements utilisés pour contrôler la consommation énergétique des diverses méthodes (chapitre 2). De plus, cette partie intègre une revue des propriétés de la MNFC pure lorsqu’elle est utilisée dans le domaine papetier. Une synthèse des techniques de caractérisation de la structure des films de MNFC et du papier utilisées dans nos travaux en fait également partie (chapitre 3). Le plan expérimental adopté, les méthodes et matériaux utilisés constituent la troisième partie (chapitre 4). La quatrième partie présente les résultats et les contributions de notre recherche. Elle est subdivisée en deux sous-parties: les résultats publiés ou en cours de publication (chapitre 5, 6 et 7) et les résultats non publiés (chapitre 8). Enfm la dernière partie résume les principaux résultats et présente les perspectives des travaux futures (chapitre 9).

Homogénéisation et micro-fluidification

La production de la MNFC est généralement constituée par un raffinage et des étapes d ‘homogénéisation à haute pression [31 , 38-40]. À l’aide d’un raffineur à disques, les fibres en suspension sont soumises à des sollicitations cycliques répétées. Le traitement apporte des changements irréversibles aux fibres, ce qui augmente leur potentiel de liaison par modification de leur morphologie et de leur taille [41]. Le raffinage pèle les couches externes de la paroi cellulaire, soit la lamelle intercellulaire et la paroi primaire, et expose la paroi secondaire, ce qui facilite l’homogénéisation ultérieure. Cependant, le raffinage mécanique tend à endommager la structure des microfibrilles en réduisant leur masse molaire et leur degré de cristallinité [22, 42]. Pendant l’homogénéisation, les suspensions de raffinage diluées sont pompées à haute pression pour alimenter un ensemble de soupapes à ressort (Figure 2-5 [43]). Comme cette vanne s’ouvre et se ferme en succession rapide, les fibres sont soumises à une chute de pression importante avec des hautes forces de cisaillement et d’impact. Cette combinaison de forces favorise un degré élevé de micro fibrillation, conduisant ainsi la production de la MNFC [22, 41].

Une nouvelle alternative à l’homogénéisateur, utilisée récemment pour effectuer la fibrillation, est le microfluidiseur (Figure 2-6 [44]) où la suspension fibreuse passe dans des chambres très fmes (200-400 ~m) en forme de Z sous haute pression Gusqu’à 2070 bar) [45, 46]. Cet équipement attire plus d’attention puisqu’ il permet d’ avoir des microfibrilles de taille plus uniforme. Cependant, l’ utilisation de chambres de différentes tailles est nécessaire pour augmenter le degré de fibrillation [44]. De tels traitements permettent d’avoir des nanofibrilles de diamètre compris entre 20 et 100 nm et une longueur estimée à plusieurs dizaines de micromètres [22]. Pour accroitre le degré de fibrillation, la procédure est répétée jusqu’à 15 fois. Iwamoto et al. [29] ont rapporté qu’ au-delà de 14 cycles d’homogénéisation la fibrillation n’est plus améliorée. Cette observation a été confirmée par Malainine et al. [47] qui prétendent avoir produit la MNFC après 15 passages d’homogénéisation.

Broyage et mixage

Des broyeurs modifiés ont également été utilisés pour produire de la MNFC en introduisant des contraintes de cisaillement élevées. Les fibres de cellulose sont broyées entre deux meules en pierre. Une meule est fixe et l’autre est en rotation à 1500 tour.min-1 (Figure 2-7[44]). Le mécanisme de la fibrillation est similaire au raffinage avec une forte intensité; ce qui permet d’avoir des nanofibrilles individualisées à partir de la pâte [22]. Iwamoto et al. [48] ont étudié l’ influence du nombre de passages dans le broyeur sur la morphologie de la MNFC. Du premier au troisième passage, la plupart des fibrilles ont été transformées à la taille micro et nano. Avec cinq passages, la majorité des fibrilles ont une taille nanométrique. Un nombre de passages plus élevé n’a aucune influence sur la morphologie des nanofibrilles obtenues. Comme l’ homogénéisation, le broyage nécessite plusieurs passages pour obtenir de la MNFC. Cependant, le procédé peut dégrader les fibres et réduire ainsi leur longueur; ce qui affecte leur potentiel de renforcement [44, 48]. Récemment, Uetani et Yano [49] ont utilisé un mélangeur électrique (communément appelé Blender en anglais) pour produire de la MNFC. Ils ont défibrillé différentes suspensions de pâte avec différentes vitesses de rotation (5000 à 37 000 tour.min-1 ). Les suspensions obtenues étaient assez hétérogènes et la défibrillation n’ était pas complète c. -à-d. certaines fibres de bois restaient intactes. Après 30 minutes de mixage, leur produit ressemble à la MNFC obtenue par un seul passage au broyeur à une vitesse de rotation de 1500 tour.min-1 .

Table des matières

Avant-propos
Remerciements
Résumé
Mots Clés
Table des Matières
Liste des Figures
Liste des Tableaux
Liste des Équations
Liste des Abréviations
Chapitre 1 – Introduction
1.1 Contexte de l’étude
1.2 Contexte économique
1.3 Propriétés de l’emballage alimentaire
1.4 Définition et objectif du projet de thèse
Chapitre 2 – L’origine de la MNFC
2.1 La cellulose
2.1.1 La nanocellulose
2.1.2 Procédés de production de la MNFC
2.1.2.1 Homogénéisation et micro-fluidification
2.1.2.2 Broyage et mixage
2.1.2.3 Raffinage
2.1.2.4 Cryocrushing
2.1.2.5 Ultrasonification
2.1.3 Les prétraitements
2.1.3.1 Prétraitement alcalin
2.1.3.2 Prétraitement enzymatique
2.1.3.3 Prétraitement oxydant
2.1.3.4 Prétraitement de carboxyméthylation
2.1.3.5 Introduction de pigments
2.1.4 Production de la NCC
Chapitre 3 – Propriétés de la MNFC
3.1 Propriétés rhéologiques
3.1.1 Dispersion de la MNFC
3.2 Propriétés des films de MNFC
3.2.1 Propriétés mécaniques des films 100% MNFC
3.2.2 Propriétés barrières des films de 100% MNFC
3.2.2.1 Propriété barrière à la vapeur d’eau
3.2.2.2 Propriété barrière à l’oxygène
3.3 Application de la MNFC dans le domaine papetier
3.3.1 Addition dans la masse
3.3.1.1 . Addition directe de la MNFC dans la pâte
3.3.1.2 Utilisation d’un agent de rétention
3.3.1.3 Modification de la MNFC et incorporation de charge
3.3.2 Addition de MNFC en surface du papier
3.3.2.1 Couchage de la MNFC pure
3.3.2.2 Couchage multicouches
3.3.2.3 Additif de couchage
3.4 Analyse de la structure
3.4.1 Microscopie à force atomique (AFM)
3.4.2 Microscopie électronique à balayage (MEB)
3.4.3 Microtomographie aux rayons X
3.4.4 Porosimétrie au mercure
3.5 Le lien entre la structure et les propriétés
Chapitre 4 – Matériels et méthodes
4.1 Plan expérimental
4.2 Matériaux utilisés
4.2.1 Pâte TMP
4.2.2 MNFC
4.2.3 Carboxymethylcellulose (CMC)
4.3 Équipements et méthodes
4.3.1 La formette dynamique
4.3.2 Le MEB
4.3 .3 La porosimétrie au mercure
4.3.4 La microtomographie à rayons X Synchrotron
4.3.5 La perméabilité à l’ air
4.3.6 La perméabilité à la vapeur d’eau
4.3.7 La perméabilité aux liquides
4.3.8 La force de cohésion interne
4.3.9 La résistance à la traction
4.3.10 La résistance au déchirement
Chapitre 5 – Article scientifique 1
5 .1 Avant propos
5.2 Résumé
5.3 Abstract
5.4 Introduction
5.5 Materials and Methods
5.5.1 Paper samples
5.5.2 Mercury Intrusion Porosimetry
5.5.3 X-ray Synchrotron microtomography
5.6 Results and discussion
5.6.1 Mercury porosimetry
5.6.2 3D X-ray Synchrotron microtomography
5.6.3 Improved MIP analysis
5.7 Conclusion
Chapitre 6 – Article scientifique 2
6.1 Avant-propos
6.2 Résumé
6.3 Abstract
6.4 Introduction
6.5 Materials and Methods
6.5.1 Thermo-mechanical pulp
6.5.2 Micro Nanofibrillated Cellulose
6.5.3 Papermaking
6.5.4 X-ray synchrotron rnicrotomography
6.6 Results and discussion
6.6.1 3D images
6.6.2 Porosity profile within the sheet thickness
6. 7 Conclusions
6.8 Acknowledgements
6.9 Literature
Chapitre 7 – Article scientifique 3
7 .1 Avant propos
7.2 Résumé
7.3 Abstract
7.4 Introduction
7.5 Experimental
7.5.1 Thermomechanical pulp
7.5.2 Micro NanoFibrillated Cellulose
7.5.3 Papermaking
7.5.4 Structure characterization
7.5.5 Properties characterization
7.6 Results and discussion
7.6.1 Paper structure – Overall paper structure evaluation
7.6.2 Paper structure – Layers structure evaluation
7.6.3 Paper properties
7.6.3.1 Barrier Properties
7.6.3.2 Mechanical properties
7.7 Conclusion
7.8 References
7.9 Appendix
Chapitre 8 – Travaux non publiés
8.1 Caractérisation de la structure par porosimétrie au mercure et MEB
8.1.1 Analyse de structure par porosimétrie au mercure
8.1.2 Analyse MEB de la structure
8.2 Comparaison entre l’ajout dans la masse et la structuration en z
8.2.1 Analyse de la structure
8.2.2 Analyse des propriétés du papier
8.3 Effet de la CMC sur la structure et les propriétés du papier
8.3.1 Analyse de la structure
8.3.1.1 Film 100% MNFC
8.3.1.2 Papier structuré par la MNFC
8.3.2 Analyse des propriétés
8.3.2.1 Film 100% L-MNFC
8.3.2.2 Papier structuré par la L-MNFC
8.3.2.3 Papier structuré par la H-MNFC
Chapitre 9 – Conclusions
Bibliographie

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