Applications of cellulose nanocrystals : thermal, rheological and mechanical properties of new materials

par Marcos Mariano

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Alain Dufresne et de Nadia El Kissi.

Le président du jury était Yves Grohens.

Le jury était composé de Alain Dufresne.

Les rapporteurs étaient Christian Carrot, Jannick Duchet-Rumeau.

  • Titre traduit

    Application des nanocristaux de cellulose : propriétés rhéologiques, mécaniques et thermiques des matériaux nouveaux


  • Résumé

    Malgré ces propriétés intéressantes et l'abondance du matériau brut dont on peut les extraire, les applications des CNC pour des produits commerciaux restent limitées en raison des limitations liées à l’utilisation de procédés industriels. En effet, les matériaux produits à base de CNC sont généralement préparés par la technique de coulée/évaporation. Ce procédé permet de bien contrôler les propriétés comme l’humidité, la dispersion des particules et aussi d’assurer la formation d'un réseau tridimensionnel des particules. Cependant, ce procédé n'est pas facilement transposable à l'industrie. Une alternative à la technique de coulée/évaporation serait l'application du procédé d'extrusion et/ou de moulage par injection. Ces n'utilisent pas de solvants et peuvent donc être considérés comme des procédés plus verts que la coulée/évaporation. Il y a cependant des points négatifs. Ils sont essentiellement associés à des problèmes de dispersion, de dégradation thermique et de propriétés mécaniques plus faibles. Dans ce contexte, la thèse développée ici présente quelques études qui cherchent à combler quelque unes des lacunes décrites ci-dessus.Le Chapitre 1 présente une revue de la littérature et des concepts de base utilisés pendant la thèse. Dans le Chapitre 2, les particules de caoutchouc présentes dans la suspension de latex ont été oxydées en surface par addition de KMnO4 en conditions contrôlées. L’objectif était d’induire l’oxydation des doubles liaisons présentes dans la structure du caoutchouc naturel (NR). Les essais de traction cycliques ont montré que pour ces échantillons, les interactions interfaciales entre les nanoparticules et le polymère sont plus fortes. Cependant, quand le taux d’oxydation augmente, l’hydrophilie des chaînes de caoutchouc est observable.Dans le Chapitre 3, des composites à base de polycarbonate (PC) et de CNC ont été obtenus par la technique d’extrusion. Ce procédé implique de hautes températures (200oC) et la dégradation thermique devient alors un problème pendant la préparation des matériaux. Pour limiter cette dégradation, un mélange maître (masterbatch) contenant environ 30% de CNC a été produit et utilisé comme base pour la préparation des films. La dispersion des CNC entre les chaînes de PC permet probablement d’éviter la dégradation en raison de la protection physique des nanoparticules. Malheureusement, la présence des CNC semble réduire la stabilité thermique du polymère et accélérer sa dépolymérisation. Le chapitre 4 est dédié aux systèmes à base de polybutyrate-adipate-téréphtalate (PBAT) et de nanocristaux de cellulose. Le chapitre est divisé en deux parties. La première partie est focalisée sur l’influence de la cristallisation que les nanocristaux peuvent induire sur la matrice polymère après le processus d’extrusion. Trois sources différentes de CNC ont été choisies pour permettre l’obtention de nanoparticules avec différents facteurs de forme L/d. Des nanocomposites ont été préparés par extrusion en utilisant un taux de particules correspondant au seuil de percolation. Cela a créé une sorte de compétition entre la taille de la particule et sa fraction volumique. Dans cette étude, les nanocristaux avec plus grand rapport longueur/diamètre et sont, également, responsables de la cristallisation la plus significative.Dans la deuxième partie, des nanocomposites ont également été préparés par extrusion/injection puis caractérisés en termes d’organisation structurale. Les résultats de SAOS ont montré un changement de viscosité et de la valeur de G’, ainsi que dans la pente de la courbe G’ x ω, suggérant une modification de la structure des particules après conditionnement. Grâce à les tests de rheologie 2D, il a été possible d’observer une modification de la structure des particules qui suggère une plus grande dispersion. Cependant, il est clair que les particules ne sont pas complètement réorganisées sous forme de réseau 3D.


  • Résumé

    The preparation of composites based on cellulose nanocrystals (CNC) is normally performed using techniques such as melt processing or casting/evaporation. In the last one, impressive mechanical properties can be reached due to the creation of a particle 3D network that is based on new hydrogen bonds between the cellulose nanorods. This process of new H-bond formation normally takes time and is dependent of the nanoparticle size and its volume fraction. Besides, the quality of filler dispersion into the polymeric matrix is also an important parameter to provide the highest surface area and provides an ideal structure for the rigid structure. In this work, we tried to propose different preparation methods and characterizations to obtain nanocomposites with a simple preparation either by casting/evaporation or melt processing.First, we improve the compatibility between an hydrophobic matrix and CNC by the chemical modification of the former. This approach tried to be an alternative to standard modification process, normally performed on nanoparticle surface by –OH groups substitution. As a good model for the study of composite mechanical properties, a natural rubber matrix was used with double bonds oxidized by the use of a strong oxidant aiming to introduce new hydroxyl groups on the isoprene chains. These new groups seem to interact with the cellulose surface, creating new supramolecular interactions between particle and matrix. It was observed that the increase in the degree of oxidation can first increase the compatibility between the polymer and the filler, increasing the mechanical properties. Later, over-oxidation starts to cause the plasticization of the system.In sequence, we had use melt processing for produce nanocomposites at high temperatures by using amorphous and semi-crystalline polymers. In a first approach, CNC were coated with the matrix polymer (polycarbonate) by a system of dilution/precipitation in suitable solvents. The coated nanocrystals are extruded with polycarbonate at 230ºC thanks to the coating approach, that allows an increase in the processing temperature of CNCs. Also, this technique improves its dispersion in the matrix due to entanglement of the polymer chains and the individual nanocrystals. The thermal analyzes shows that the CNC presence and coating masterbatch preparation reduces the polycarbonate Activation Energy (Ea) causing an acceleration in its thermal degradation and a molecular weight (Mv) reduction. As consequence, an increase in the crystallinity of the material occurs. Mechanical characterizations (DMA) show that nanocrystals presence and Mv reduction incresed the mechanical properties of the materials. The modulus (E') values, after the Tg, are higher than theoretical values calculated by Halpin−Kardos model for all studied compositions.The last part of this work is focused on investigate the influence of extrusion and thermal history of the material on its mechanical and rheological properties.In a first approach, we investigated the role of CNCs with different sizes on the material’s final properties (i.e. crystallinity and mechanical properties). Different sources were used to obtain CNCs with different percolation volume fractions, aiming to investigate its capacity on crystallization of a semi crystalline thermoplastic matrix. The results showed that crystallinity and mechanical properties are, indeed, strongly affected by the aspect ratio of the nanorod. In fact, longer CNC particles seem to be more capable to create crystalline domains and reinforce the polymer despite the lower total number of particles. In a second step, the rheological properties of the materials were investigated to characterize the effect of particle micro-structure. The composite internal organization seems to be dependent of the system viscosity and filler volume fraction, what can bring strong impact on the mechanical properties of the material.


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