Mise en évidence des relations formulation/procédés/structure et propriétés d'usage de matériaux alvéolaires biosourcés fabriqués en continu

par Adja adama Toure

Projet de thèse en MEP : Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Denis Roux et de Emeline Talansier.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de I-MEP2 - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production , en partenariat avec Laboratoire Rhéologie et Procédés (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Dans le contexte actuel de développement durable et de l'épuisement des ressources fossiles, trouver des homologues biosourcés et biodégradables aux mousses plastiques synthétiques, comme le polystyrène expansé (PSE) s'impose plus que jamais comme une nécessité. Des mousses à base de PLA (Acide PolyLactique)1-2 et d'amidon3 existent déjà et sont pour certaines commercialisées4, mais à des coûts élevés pour les premières, qui de fait, peinent encore à se développer2. Quant aux mousses à base d'amidon, bien qu'à base d'un matériau bio-sourcé et renouvelable, elles sont en compétition avec l'alimentation humaine et animale. Il est donc d'un intérêt scientifique, commercial et sociétal de remplacer les matériaux pétrosourcés par leurs homologues à base de cellulose. D'autre part, l'ajout de fibres de cellulose dans des matrices amidon a permis une augmentation conséquente de leurs propriétés5. En revanche, il est nécessaire de les transformer au préalable car les fibres cellulosiques brutes ont une taille caractéristique supérieure à celles des épaisseurs de films interfaciaux6. Par l'utilisation de nanofibrilles de cellulose, Svagan et al.7 ont pu obtenir, par lyophilisation des mousses composites, des propriétés mécaniques et de densité approchant celles des mousses plastiques. Par contre, un optimum est observé concernant la quantité maximale de matériau cellulosique incorporable et le procédé par lyophilisation ne permet pas d'envisager une fabrication en grande quantité. Cervin et al.6 ont proposé un nouveau protocole de fabrication, de type émulsion de Pickering, de mousses aqueuses stabilisées par nanofibrilles de cellulose. Mais ces matériaux alvéolaires obtenus, bien qu'uniquement à base de cellulose, n'atteignent cependant pas des propriétés mécaniques suffisantes du fait du pourcentage faible de nanofibrilles utilisables (1%) actuellement. En conclusion, aucune solution n'a encore été proposée permettant d'allier la fabrication en grande quantité de mousses biosourcées de faible densité à morphologie à la fois contrôlée, modulable et avec des propriétés mécaniques identiques à celles des mousses plastiques. Dans ce contexte, l'objectif de ce projet de thèse est de mettre en évidence les relations formulation/procédés/structure et propriétés d'usage de matériaux biosourcés de faible densité fabriqués en continu et en grande quantité par un procédé de type battage. Le travail confié au doctorant sera donc principalement expérimental et se découpera en trois grandes parties. Partie 1 : Sélection de matrices biosourcées à foisonner. Il travaillera, dans un premier temps, avec des quantités réduites et utilisera des procédés de traitement des bases à foisonner et de foisonnement adapté à cette échelle : mélangeur ultra-turax, sonde ultrasonore pour le prémélange et émulsifieur ou batteur KitchenAid™ comme procédé de foisonnement, etc. Cette étape réalisée, le doctorant procédera au changement d'échelle en passant à l'échelle du pilote (Partie2). Partie 2 : Prise en main du pilote de foisonnement mis à disposition au LRP et qualification de l'installation. Cela permettra de situer cette technologie au sein de la gamme des foisonneurs actuels capables de foisonner des matrices continues de complexité croissantes allant des fluides Newtoniens à des matrices au comportement rhéologiques plus complexes. Il aura aussi à sa charge la mise en place de la partie caractérisation multi-échelle des mousses liquides en ligne (distribution de tailles de bulles, taux de vide, homogénéité du mélange gaz/liquide) et hors ligne (suivi de déstabilisation/drainage/vieillissement) par technique optique et tomographie électrique. Avec la quantification des données expérimentales obtenues en continu par le pilote, le doctorant sera acteur de la mise au point des modèles de compréhension des phénomènes de fragmentation/coalescence à l'origine de la formation des bulles dans le mélangeur. Partie 3 : Fabrication et caractérisation des mousses biosourcées solides. Ce dernier volet consistera en l'adaptation rigoureuse des solutions de foisonnement à l'échelle pilote, qui permettront, sous réserve d'une parfaite maîtrise de leur hydrodynamiques de fabriquer des mousses à morphologie contrôlée que l'on pourra ensuite caractériser, notamment au niveau de leurs propriétés mécaniques, en lien avec leur morphologie.

  • Titre traduit

    Attempt in the link between In line-Process/formulation/structure and end-used properties of highly porous alveolar cellulosic materials


  • Résumé

    Human society has benefited tremendously from the use of synthetic plastics foams, especially expansed polystyrene (EPS) and polyurethane (PU) foams due to their extraordinary versatility, manufacturability as well as theirs mechanical properties. However, these prosperities come at the price of depleting fossil fuels and adverse effects on the environment. To minimize these undesirable consequences, biobased counterpart are needed as renewable, sustainable and biodegradable products. Poly Lactic Acid (PLA) and starch-based foams have already been developed and/or marketed in that way. However, PLA based foams costs remain noncompetitive, avoiding their further wide spreading while the main drawback of using starch is to compete with its necessity for human food. In addition, there are extremely sensitive to moisture and extremely brittle, which is not the case of cellulose. Indeed, with the addition of microfibrillated cellulose (MFC) in starch matrices and the use of a lyophilization foaming process, Svagan et al.7 have obtained foams with mechanical and aerated properties similar to synthetic foams. However, an optimum has been observed concerning the maximal quantity incorporable in the matrix and the process of lyophilization used there is not adapted to industrial production. Cervin et al.6 have proposed another protocol based on the Pickering emulsion principle to produce aqueous foams stabilized by nanofibrillated cellulose. But this type of foams is still characterized by insufficient mechanical properties due to the extremely low percentage of cellulose employed (1%). In conclusion, no suitable solution had yet been proposed allowing the production of bio based foams in large quantity with controlled and adaptable structure and mechanical properties similar to synthetic foams. In this context, the aim of this project is to establish the process/formulation/structure and end-used properties relationships of biobased materials with aerated and controlled morphology processed by an alternative in-line foaming technology. Most of the PhD work will be experimental and divided in three main parts: WP1: Biosourced matrices selection. It is planned to work on smaller amounts (1L) of solutions and to test various processes conditions comparible with this scale (previous ultra-turax mixing and/or ultra-sound pretreatment of the biosourced matrices, foaming process performed with emulsifier or whipping, etc). WP2: Qualification and instrumentation of the existing foaming pilot equipment, based on static mixer technology. It is planned to qualify this equipment to situate it in the range of the existing foaming processes for its ability to foam matrices with increasing complexity, i.e. from Newtonian to more complex rheological behavior fluids representative of the matrices previously selected in the WP1. The candidate also will be in charge of the advanced multi-length scales characterization of the morphology and rheological properties of the liquid foams produced (foaming process and aging) by optical and electrical tomography. Then, she or he or will be in charge of the modelling of the fragmentation and coalescence phenomena occurring inside static mixer for bubbles size prediction. WP3 : In this third part of her or his doctoral work, the candidate is expected to work on the elaboration and characterization of solid biosourced foams. It will consist in a rigorous adaptation of the foaming process at an industrial scale and in the identification of the formulation/process/ structure and end used properties relationships.