Prétraitements de la cellulose pour une nanofibrillation par extrusion

Cellulose pretreatments for a nanofibrillation by twin-screw extrusion

• Auteur / Autrice : Fleur Rol
• Direction : Julien Bras
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 01/02/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés pour la bioraffinerie, les matériaux bio-sourcés et l’impression fonctionnelle (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Carlos Vaca-Garcia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadia El Kissi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carmen Freire, Guy Della Valle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Extrusion

Nanofibres

Mots clés libres

Extrusion

Nanofibrille de cellulose

Prétraitement chimique

Twin-Screw extrusion

Nanofibrillated cellulose

Chemical pretreatment

Résumé

Ce projet vise à développer un nouveau procédé de fabrication de nanofibrilles de cellulose (NFC) à fort taux de matière sèche et en consommant peu d’énergie. L’extrusion bi-vis, technique industrielle, efficace énergétiquement et facilement adaptable fut ainsi utilisée pour produire des NFC à 20%. En diminuant considérablement la teneur en eau, cette nouvelle stratégie permet de diminuer le coût du transport, d’améliorer le stockage et d’élargir leur domaine d’application. Ce travail a consisté (i) à développer de nouveaux prétraitements chimiques des fibres de celluloses, respectueux de l’environnement pour faciliter la fibrillation de la cellulose et produire des NFC fonctionnelles de qualité, (ii) à optimiser les conditions d’extrusion ainsi que le profil de vis et (iii) à préparer des matériaux à partir de cette nouvelle matière. Quatre prétraitements chimiques ont été identifiés comme facilement industrialisables et ensuite optimisés. La nanofibrillation par extrusion a été ensuite simulée par un logiciel pour obtenir des conditions d’extrusion optimisées. La production de NFC de qualité à l’échelle semi-industrielle a été validée. Différentes applications ont été envisagées pour ces nouvelles NFC à fort taux de matière sèche.

This project aims at developing a new process to produce high solid content cellulose nanofibrils (CNF) decreasing the energy consumption and preserving the high quality compared to classic processes. Twin screw extrusion (TSE), industrially well-known, energy efficient and highly adaptable technique, was optimized to produce CNF at 20 wt% solid content. By decreasing considerably the water content, this new strategy improves the transport cost, the storage and widening the field of application and formulation. The objectives were to (i) develop new green pretreatments of cellulose fibers to facilitate the fibrillation and produce high quality functionalized CNF, (ii) optimize TSE screw profile and conditions to produce CNF and (iii) prepare new materials made of this new type of CNF. Four chemical pretreatments of cellulose fibers have been identified as industrially feasible, leading to high quality functionalized CNF and were widely studied and optimized. The nanofibrillation by TSE was simulated using a simulation software and TSE conditions were then successfully optimized. This cost-effective approach was validated at semi-industrial scale. Finally, different new applications with this new grade of CNF were considered.