Elaboration de matériaux composites à base de filaments de cellulose et de polyéthylène

par Amaury Lepetit

Thèse de doctorat en Chimie appliquée / Chimie des substances naturelles

Sous la direction de Rachida Zerrouki et de Daniel Montplaisir.

Le président du jury était Vincent Gloaguen.

Le jury était composé de Rachida Zerrouki, Daniel Montplaisir, Ahmed Koubaa.

Les rapporteurs étaient Sandrine Bouquillon, Naceur Belgacem.


  • Résumé

    Fort d’une croissance annuelle de l’ordre de 6%, le secteur des matériaux composites est actuellement en pleine expansion et se doit de répondre aux exigences d’un marché en constante évolution. Dans le même temps, la raréfaction des ressources pétrolières et l’augmentation de la conscience environnementale, conduisent à une demande croissante en matériaux bio-composites. Le remplacement des fibres synthétiques (fibre de verre en particulier) par des fibres naturelles engendre un intérêt certain dont les motivations principales sont la réduction de l’impact environnemental, la diminution des coûts et l’obtention d’un matériau plus léger à volume égal. Néanmoins, la faible compatibilité existante entre les fibres de cellulose hydrophiles et les matrices polymères hydrophobes, est un des inconvénients majeurs qui nuit au bon développement de ces matériaux. L’objectif de cette thèse est de développer une alternative aux fibres de verre pour l’élaboration de matériaux composites à matrice thermoplastique. Pour ce faire, l’intégration de filaments de cellulose (FC), fournis par Kruger notre partenaire industriel, a été étudiée. En plus d’apporter un côté « vert » au matériau final, les FC permettent de réduire le poids des composites par rapport à leurs homologues synthétiques. Néanmoins, la faible compatibilité entre les filaments polaires et la matrice apolaire ainsi que la grande capacité d’absorption d’eau des FC nous a conduit à développer différentes stratégies de modification chimique des FC, afin d’en accroitre le caractère hydrophobe. Ces modifications ont permis de renforcer les matériaux composites grâce à l’amélioration de l’adhésion entre les FC et la matrice, le tout en minimisant la perte de résistance mécanique causée par l’absorption d’eau. Les résultats obtenus après acétylation, alkylation et encollage sont décrits dans ce manuscrit.

  • Titre traduit

    Cellulose filament-reinforced low density polyethylene composites


  • Résumé

    Over the past two decades, the increase of environmental concerns and shortage of petroleum resources have provoked a growing interest in the use of natural fibers as an alternative to synthetic fibers for the reinforcement of composites. Natural fibers possess desirable specific properties including biodegradability, renewability and low-cost. In addition, they have densities much lower than synthetic fibers, which makes them interesting for different applications ranging from automotive parts to packaging. Despite their benefits, certain drawbacks such as incompatibility with the hydrophobic polymer matrix, a tendency to form aggregates during processing and a poor resistance to moisture absorption, reduce the potential of these fibers to be used as a reinforcement of hydrophobic thermoplastic matrices.This thesis aims to substitute glass fibers by cellulose fibers for their use in fiber-reinforced composites. Reinforcement of LDPE composites with cellulose filaments (CF), supplied by our industrial partner Kruger, was studied. CF appear to an interesting alternative to glass fibers because they possess desirable specific properties including biodegradability, low density, high tensile strength and modulus as well as providing a low-cost and renewable option. However, the weak interfacial adhesion between CF and LDPE, and the high moisture absorption of CF led us to carry out several chemical modifications of CF in order to increase their hydrophobicity. Modified CF-composites exhibit higher mechanical properties and lower water uptake than unmodified CF-composites. Results obtained from acetylation, alkylation and paper sizing are described in this manuscript.


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