Elaboration d'un matériau composite innovant à base de bois et de bio-polymère d'acide lactique

Innovative lactic acid biopolymer / wood based composite material elaboration

• Auteur / Autrice : Marion Noël
• Direction : Daniel Masson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du bois
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Ecole Nationale Supérieure des Technologies et Industries du Bois (Epinal)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lactique, Acide

Polymères végétaux

Composites polymères

Produits du bois

Résumé

La substitution des matériaux composites à base de polymères d’origine fossile renforcés de fibres minérales ou synthétiques, par des bio-matériaux conçus par association de bio-polymères et de renforts fibreux végétaux, permet d’envisager un recyclage et/ou une bio-dégradation en fin de vie. Dans cet objectif, nous avons élaboré un bio-composite à base de bois et de bio-polymère d’acide lactique, par imprégnation vide / pression d’acide lactique oligomérisé, contenant ou non un catalyseur chimique de polymérisation, dans les cellules de bois, suivie d’un chauffage en étuve. L’objectif de ce travail était de provoquer la polymérisation des oligomères d’acide lactique in-situ, et d’induire éventuellement un greffage de ces molécules sur les sites hydroxyles libres du bois, dans le but d’améliorer les propriétés du matériau. Nous avons démontré une polymérisation in-situ effective, et une forte interaction entre le bois et les chaînes d’acide lactique, toutefois non greffées. L’action du bio-polymère sur la structure lignocellulosique est également mise en évidence par un « ramollissement » important du bois, apparaissant à un stade intermédiaire de l’étape de chauffage, vraisemblablement dû à une réaction entre les oligomères d’acide lactique et la lignine contenue principalement dans la lamelle mitoyenne. Une forte coloration traduit d’autre part une probable réaction entre les catalyseurs chimiques et la cellulose. Le cycle de chauffage achevé, le matériau se trouve dans un état final rigide dont les performances ont été étudiées. Il s’avère que le traitement confère une excellente stabilité dimensionnelle au bois : environ 70% d’efficacité anti-gonflement. Une amélioration de la résistance à l’attaque fongique a été observée. En ce qui concerne les propriétés mécaniques, les résistances à la flexion et la compression sont peu influencées, alors que l’on note une forte augmentation de la dureté de surface, et une diminution de la résistance au cisaillement, due à la fragilisation de la lamelle mitoyenne. Ainsi, les densité et dureté élevées, ainsi que la stabilité du matériau laissent envisager des applications dans certains domaines industriels comme la parqueterie. Dans l’état intermédiaire « ramolli », des applications de mise en forme, telles que le matriçage ou le cintrage sont également concevables.

Composites from petroleum based polymers and synthetical or mineral fibers can be advantageously replaced by biomaterials from biopolymers and vegetal fibrous reinforcements, allowing recycling and /or biodegradation at the end of their lifecycle. In this purpose, we prepared a wood / lactic acid biopolymer based bio composite. Wood vacuum / pressure impregnation by lactic acid oligomers containing chemical catalyst or not, was followed by a heating process in a drying kiln. The aim of this study was to induce oligomers polymerization into the wood cells, and a potential grafting on the free hydroxyls wood groups, in order to improve wood properties. We showed an effective in-situ polymerization, and a strong interaction between wood and biopolymers chains, however not grafted. The biopolymer impact on the lignocellulosic structure is shown by a significant softening of wood, occurring at an intermediate level of the heating process, probably due to a reaction between lactic acid oligomers and the lignin mainly contained into the middle lamella. The material darkening suggests a probable reaction between chemical catalysts and cellulose. Once the heating process has been completed, the composite gets stiff. The treatment imparts an excellent dimensional stability to the wood composite : an anti swelling efficiency approaching 70%. A good antifungal resistance is also noticed. As for mechanical properties, bending and compression resistances are slightly influenced, while hardness is significantly improved, and shearing resistance altered, due to the middle lamella degradation. Therefore, high density and hardness, plus a good material stability could be valorized by industrial uses such as flooring. In the intermediate state, moulding applications are also conceivable.