Traitements physiques de la cellulose

Traitements physiques de la cellulose 

Les deux principaux traitements physiques sont le traitement Corona et le plasma.

Traitements Corona

Le traitement Corona modifie l’énergie de surface des fibres cellulosiques, pouvant ainsi augmenter par la même occasion l’affmité entre fibres et matrice [11]. Le procédé consiste à traité la cellulose par des décharges électriques à haute fréquence et bas voltage. Pour cela, la cellulose est simplement positionner entre deux électrodes. Suite au traitement, la cellulose présente une rugosité plus importante liée à la présence de fosse et de microcavité, permettant de favoriser le piégeage et l’interaction envers la matrice [12]. Les composites constitués de cellulose ainsi modifiée présentent des propriétés mécaniques améliorés. Pour exemple, après un tel traitement, le module de Young, ou module d’ élasticité, d’un composite constitué de polypropylène et de 20 % de cellulose peut être augmenter jusqu’à 30 % [13].

Traitements Plasma 

Le traitement au plasma permet l’obtention d’effets analogues au traitement Corona, à savoir, l’augmentation de l’affinité entre la matrice et l’ agent de renforcement [14]. Les propriétés du plasma sont utilisées de manière à transformer les surfaces réactionnelles des fibres de cellulose, et donc leur réactivité. À noter qu’ avec la variété des traitements disponibles, et selon le gaz utilisé, différentes modifications sont envisageables (augmentation ou diminution de l’énergie de surface, activation de liaison carbone-carbone via des radiations UV … ) [15]. Des composites constitué de cellulose ainsi traité présente un module de Young pouvant être amélioré jusqu’à 20%. Pour autant, les composites ont également une résistance à la rupture plus faible et se déforment de manière plus importante sous l’effet de stresse mécanique. En d’autre terme, le composite devient ductile.

Cependant, ces deux traitements, Corona et Plasma, sont notamment employés dans le but d’augmenter le caractère hydrophile de la cellulose, afm, par exemple, de former des papiers absorbants. De plus, les conditions opératoires ont tendance à entraîner une détérioration de la cellulose. Les traitements physiques n’ont donc pas été retenus pour la suite de cette étude.

Il ne reste donc plus qu’une voie pour assurer la compatibilité entre la cellulose et la matrice : les traitements chimiques.

Traitements chimiques de la cellulose 

Les modifications chimiques ont pour rôle de modifier la composition de la cellulose de manière à augmenter son affmité pour la matrice, notamment en dérivant la surface des filaments de cellulose. Le but est alors de positionner des atomes apolaires, dissimulant ainsi les hydroxyles responsables du manque d’ affmité avec la matrice et de l’absorption d’eau. Cependant, la modification de la cellulose se révèle être des plus difficiles en raison d’une faible accessibilité de cette dernière. L’accessibilité représente la facilité de mettre en contact les groupements, ici les hydroxyles de cellulose avec un réactif ou un solvant. Par sa structure dite semi cristalline les hydroxyles de la cellulose sont liés par des liaisons hydrogènes, limitant ainsi leur accessibilité et donc leur réactivité. L’ordre de réactivité théorique de la cellulose est alors OH(2) > OH(6) > OH(3) .

Certaines méthodes cherchent à solubiliser la cellulose de manière à augmenter au maximum sa surface d’échange avec le milieu réactionnel. Solubiliser la cellulose par un traitement thermique est impossible, sa température de dégradation étant plus basse que son point de fusion. Un système des plus répandus au sein de la littérature est le couple chlorure de lithium/N,N-diméthylacétamide (DMAc) [17]. Ce dernier permet d’obtenir une solution limpide de cellulose, mais requiert une série d’échanges de solvants (H₂O/ MeOH et MeOHIDMAc) ainsi qu’une température maintenue à 70 °C. Si un tel système ne conduit pas à la dégradation de la cellulose, il présente l’inconvénient de solubiliser cette dernière, entraînant ainsi la perte des liaisons hydrogènes et donc des zones cristallines à forte résistance. En d’autres termes, suite à un traitement en milieu homogène, la cellulose perd en propriétés mécaniques, effet au combien délétère étant donné que le but fmal est l’obtention de composite.

Pour cette raison, l’ensemble des traitements présentés au sein de ce document porte sur le traitement hétérogène de la cellulose.

Mercerisage 

Le mercerisage, ou mercerisation fut découvert par John Mercer en 1844. Le concept fut repris et amélioré par Horace A. Lowe en 1890. Ce procédé permet d’améliorer les caractéristiques physico-chimiques des fibres, de leur donner un aspect lustré et d’optimiser l’absorption de la teinture, ce qui explique sa large utilisation dans le domaine du textile [18].

La mercerisation est provoquée par un traitement à base de soude [6]. Celle-ci permet d’augmenter la proportion de cellulose résiduelle en diminuant la quantité de lignine et d ‘hémicellulose. De plus, la mercerisation provoque la modification de la morphologie de la cellulose. En effet, les chaines de glucose de la cellulose native sont orientées parallèlement et passent à une configuration antiparallèle suite au mercerisage. Ce phénomène favorise la formation de liaisons hydrogènes, améliorant ainsi les propriétés mécaniques de la cellulose .

Acétylation 

L’acétylation permet de modifier les fibres naturelles pour augmenter leur caractère hydrophobe. Le principe consiste, comme pour la benzylation, à estérifier les hydroxydes responsables du caractère hydrophile et donc à donner un caractère hydrophobe à la cellulose. L’affmité des fibres pour la matrice hydrophobe se trouve donc améliorée.

L’acétylation de la cellulose, tout comme sa mercerisation, n’est pas une découverte récente. L’acétate de cellulose a été synthétisé pour la première fois, en 1865. Sa première utilisation, à un niveau industriel, remonte au début des années 1900, en tant que film pour la photographie et en tant que vernis utilisé dans l’aviation.

Table des matières

Chapitre 1 – Introduction 
1.1 Composites
1.1.1 Agent de renforcement
1.1.1.1 La cellulose
1.1.1.2 Filaments de cellulose de Kruger
1.1.2 Matrice
1.1.3 Composite
1.1.4 Objectifs
Chapitre 2 – Revue de la littérature
2.1 Traitement de la matrice
2.2 Traitements physiques de la cellulose
2.2.1 Traitements Corona
2.2.2 Traitements Plasma
2.3 Traitements chimiques de la cellulose
2.3.1 Mercerisage
2.3.2 Benzylation
2.3.3 Acétylation
2.3.4 Greffage de silane
2.3.5 Greffage d’acide gras
2.3.6 Résumé de la littérature
Chapitre 3 – Matériels et méthode
3.1 Matériels
3.1.1 Cellulose
3.1.2 Polyéthylène
3.1.3 Produits chimiques
3.1.4 Partie expérimentale
3.1.4.1 Acylation de la cellulose par un chlorure d’acide laurique sans catalyseur
3.1.4.2 Acylation de la cellulose par un chlorure d’acide (laurique ou oléique) catalysé par du diiode
3.1.4.3 Transestérification de la cellulose par un traitement à l’huile de Canola
3.1.4.4 Formation des composites
3.2 Techniques d’analyses liées aux filaments de cellulose
3.2.1 Spectroscopie infrarouge à transformé de Fourrier
3.2.2 Résonnance magnétique nucléaire
3.2.3 Microscopie électronique à balayage
3.2.4 Analyseur de qualité des fibres
3.2.5 Estimation du degré de substitution
3.2.6 Angle de contact
3.2.7 Énergie de surface
3.3 Matériels et méthodes d’analyses liées aux composites
3.3.1 Propriétés mécaniques .
3.3.2 Densité
3.3.3 Absorption d’eau
Chapitre 4 – Résultats et discussion 
4.1 Acylation par un chlorure d’acide
4.1.1 Acylation par le chlorure d’acide laurique sans catalyseur
4.1.2 Acylation par un chlorure d’acide laurique catalysé par du diiode
4.1.3 Acylation par un chlorure d’acide oléique catalysé par du diiode
4.1.4 Mesure de l’angle de contact de de la cellulose
4.1.5 Détermination de l’énergie de surface
4.1. 6 Propriétés et caractérisations des matériaux composite
4.1.6.1Propriétés mécaniques
4.1.6.2Densité
4.1 .6.3Absorption d’eau
4.1.6.4MEB
4.1.6.5FQA
4.2 Traitement par une huile végétale
4.2.1 Choix de l’huile végétale
4.2.2 Traitement chimique
4.2.3 Caractérisation de la cellulose
4.2.3.1 Analyse IR
4.2.3.2 Analyse RMN
4.2.3.3 Angle de contact
4.2.3.4 Énergie de surface
4.2.3.5 MEB
4.2.3.6 FQA
4.2.4 Caractérisation des composites
4.2.4.1 Effet du degré de substitution de la cellulose au sein des composites
4.2.4.2Propriétés mécaniques
4.2.4.3Densité
4.2.4.4Absorption d’eau
4.2.4.5MEB
4.2.4.6Test de trempage
4.2.5 Effets du taux de cellulose au sein des composites
4.2.5.1 Densité
4.2.5.2 Propriétés mécaniques
4.2.5.3 Absorption d’eau
Chapitre 5 – Conclusion

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