Integration of wood waste to develop multifunctional fully biobased textile structure

par Neeraj Kumar Mandlekar

Thèse de doctorat en Mécanique, Energétique, Matériaux

Sous la direction de Fabien Salaün et de Jinping Guan.

  • Titre traduit

    Intégration des déchets de bois pour développer une structure textile multifonctionnelle entièrement biosourcée


  • Résumé

    Les textiles jouent un rôle important dans notre vie quotidienne. La plupart des fibres textiles et des tissus sont fabriqués à partir de polymères à base de pétrole, des matériaux inflammables et potentiellement dangereux. Afin de conférer le caractère ignifuge aux fibres textiles; entre autres, les composés halogénés sont plus efficaces et largement utilisés pour améliorer le comportement ignifuge des matières textiles. Cependant, en raison de la toxicité des composés halogénés et de l'épuisement progressif des ressources pétrolières, les communautés scientifiques et industrielles sont obligées de trouver des solutions alternatives. Par conséquent, on s’intéresse de plus en plus aux ressources durables, en particulier au développement de systèmes ignifugeants fabriqués à partir de ressources biologiques et respectueux de l’environnement non halogénés. Dans le contexte de l’utilisation de ressources biologiques, une attention particulière a été appelée pour la biomasse. Après la cellulose, la lignine est le deuxième polymère de biomasse le plus abondant et le principal à base d'unités aromatiques. En particulier, la lignine est avantageuse car c’est un coproduit des industries de la pâte à papier et de la fabrication du papier et non une ressource qui nécessite une production spécifique. En fait, sa structure chimique hautement aromatique permet d’améliorer différentes propriétés fonctionnelles telles que la résistance aux UV, l’antioxydant et l’ignifugation des polymères. Récemment, la lignine a fait l’objet d’une grande attention en tant qu’additif retardateur de flamme d'origine biologique en raison de son aptitude élevée à la formation de carbone après la décomposition thermique. Cette capacité de formation de carbone de la lignine en fait un candidat de choix comme source de carbone pour un système intumescent avec un autre additif ignifuge. Lors du chauffage, les matériaux intumescents ignifuges (FR) forment une couche carbonisée cellulaire expansée; agissant comme une barrière physique contre le transfert de chaleur et de masse, qui protège le matériau sous-jacent de l'action du flux de chaleur et de la flamme.Au meilleur de nos connaissances, aucune étude n'a été publiée concernant l'introduction de la lignine en tant que source de carbone dans les structures textiles pour leur conférer des propriétés ignifugeantes. Par conséquent, dans cette étude, la lignine a été introduite dans la structure textile lors de la composition. Cette thèse porte sur le développement de la structure textile ignifuge entièrement biosourcée. Pour atteindre cet objectif, l'approche en plusieurs étapes est adoptée. Dans une première étape, la matrice polymère biosourcée a été sélectionnée pour produire la structure textile et la méthode d’incorporation de la lignine a été étudiée et optimisée. Ensuite, les propriétés ignifuges apportées par la lignine ont été caractérisées et améliorées en ajoutant un additif ignifuge dans les formulations (par exemple, utilisation de sources acides pour développer un système intumescent pouvant améliorer la résistance des textiles au feu). Dans la deuxième phase du projet, la lignine a été combinée à la source d'acide d'origine biologique pour développer une nouvelle génération de structures durables (100% biosourcées) destinées aux marchés du textile. La principale avancée technologique consiste à utiliser et à combiner différents composants biosourcés utilisés dans d'autres industries, telles que l'industrie du plastique, afin de développer des solutions textiles.


  • Résumé

    It has been chosen to study valorization of low-cost industrial lignin as additive in designing the flame retardant (FR) system for polyamide 11 (PA) to develop biobased textile structure. The main focus of this thesis work is to consider lignin as carbon source and introduce in a textile structure in combination with phosphinate salt (FR agent). In the primary study, chemically different industrial lignins were incorporated in PA by extrusion to investigate the charring and fire retardant behaviour of the prepared binary blends. In addition, the introduction of sulphonated lignins significantly reduced the peak of the heat release rate (PHRR) and of the total heat release (THR), and a noticeable increase of the char residue was observed after forced combustion test. In the next approach, lignin was exploited as carbon source in combination with commercially available phosphinate FR (i.e., ZnP and AlP). To achieve this objective, a preliminary study carried out with laboratory grade lignin (LS) combined with ZnP to investigate the thermal stability and fire performance as well as the possible synergy between lignin and ZnP and with the polymer matrix. The results obtained in this study permitted to continue further, the practical implementation of lignin and multifilament production. In the next step, flame retarded blends were developed with direct addition of low-cost industrial lignins (LL and DL) with phosphinate FR. For the systematic understanding, various FR formulations were developed by varying the lignin and FR loading and characterized. Thermal decomposition analysis showed that the presence of lignin decreases the initial decomposition temperature (T5%) due to the decomposition of lignin which starts at a lower temperature region with the evolution of less thermally stable compounds and the maximum decomposition temperature (Tmax) shifts to higher temperature region, at this stage the formation of phenolic, carbonyls, hydrocarbons and CO2 along with phosphinate compounds occurs. Meanwhile, in the condensed phase thermally stable aromatic charred layer is formed because of lignin decomposition and phosphate compounds formation due to the presence of phosphinate metal salt. A higher amount of char residue is obtained when LL combined with ZnP/AlP as compared to the DL and ZnP/AlP blends. It is assumed that, during decomposition of LL, the sulfonate compounds release SO2 and transformed into thermally stable Na2SO4, hence giving rise to the stable char residue. The fire properties were assessed by cone calorimeter tests revealed the combination of lignin and phosphinate FR significantly reduced the PHRR and other fire-related parameters due to the formation of a protective char layer. The presence of lignin not only improve fire retardancy but also reduced the evolution of carbon monoxide (CO). More enhanced fire retardant properties were obtained with LL and ZnP/AlP combination reaches to 10 wt% in ternary blends, which not only promotes char formation but also confer the stability to char in the condensed phase. Furthermore, the most enhanced forced combustion results were obtained with LL and AlP (in particular, PA80-LL10-AlP10). Multifilament yarns were successfully produced for PA-DL-ZnP and PA-LL-ZnP combinations. However, the blends of AlP with lignin were not spinnable because of low compatibility and dispersion level of AlP in the polymer. Optical microscopy and tensile tests were performed to study the physical properties of multifilaments. A double layer (interlock structure) knitted fabrics were developed to evaluate fire behaviour analysis on fabric samples.


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