Fabrication et caractérisation de carbonate de calcium poreux pour application dans l’industrie

Manufacturing and characterization of porous calcium carbonate for industrial applications

• Auteur / Autrice : Oxana Cherkas
• Direction : Alain Gibaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 28/03/2018
• Etablissement(s) : Le Mans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Molécules et Matériaux du Mans (Le Mans ; 2012-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composés aromatiques

Encapsulation (chimie)

Papier à cigarettes

Synthèse (chimie)

Matériaux poreux

Applications industrielles

Carbonate de calcium

Mots clés libres

Vatérite

Calcite

Aragonite

Imagerie par diffraction des rayons X cohérente

Papier à cigarette

Porosité

Transformation allotropique

Absorption et diffraction des rayons X

Vaterite

Coherent X-ray diffraction imaging

Cigarette paper

Porosity

Phase transformation

X-ray absorption and diffraction

Résumé

L'objectif de cette thèse était de synthétiser des particules de carbonate de calcium (CaCO3) poreuses pour applications industrielles comme charge dans du papier à cigarette, ainsi que pour l'encapsulation d’'arômes. Nous avons cherché à maîtriser les paramètres de synthèse pour obtenir de la vatérite de taille contrôlée. Nous avons étudié sa transformation à haute température et dans l’'eau, car ce polymorphe est métastable. La transition de phase vatérite/calcite a été étudié par DRX et imagerie par diffraction des rayons X cohérents qui permet d’accéder à l’'image en 3D des particules. Nous avons montré que la vatérite de taille 1 à 2µm présentant 20% de porosité peut être synthétisée de façon reproductible. Les particules préparées ont été introduites comme charge dans du papier à cigarette pour évaluer l’'impact de nouvelles formes de CaCO3 sur les propriétés physiques du papier ainsi que sur la réduction des certains composées nocifs contenus dans la fumée. Nous avons développé l’analyse conjointe de l’'absorption et de la diffraction des rayons X pour estimer la charge réelle introduite ainsi que la porosité des papiers. Nous avons démontré que l’'utilisation de CaCO3 sous forme des sphères poreuses permet d’'augmenter la diffusivité du papier et de réduire l’'émission de CO dans la fumée principale.L’encapsulation d'arômes par la co-cristallisation et l'inclusion moléculaire dans le carbonate de calcium a été aussi étudiée. Nous avons montré que CaCO3 peut être utilisé comme matrice d’'imprégnation d'arômes avec une efficacité d’'encapsulation de plus que 55%. Les particules aromatiques ont été après ajoutées dans le papier pour évaluation sensorielle.

The aim of this thesis was to synthesize porous calcium carbonate (CaCO3) particles for industrial applications as fillers for cigarette paper as well as a matrix for flavour encapsulation. We show that we can control the fabrication of porous particles of vaterite with a given size by tuning the parameters of synthesis. After the synthesis, the stability of vaterite in aqueous solution and at high temperature was studied. The phase transition was analyzed by XRD and coherent X-ray diffraction imaging that allows us to have a 3D-image of the particles. Finally, particles of 1-2 μm size with 20% porosity were reproducibly synthesized. Prepared vaterite particles were introduced as a filler in cigarette paper, with the goal to evaluate their impact on the physical properties of papers as well as on the reduction of some harmful compounds during the smoking. It was demonstrated that the use of vaterite can increase the diffusivity of paper and reduce the CO emission in the mainstream smoke. We also show that the use of X-ray absorption and diffraction can provide an estimation of the filler fraction and porosity of the papers in a non-destructive way. The encapsulation of flavours in CaCO3 particles was performed by co-crystallization and molecular inclusion. It was demonstrated that CaCO3 can be used as a matrix for flavour impregnation with more than 55% of encapsulation efficiency. Flavoured particles was added in paper for sensory evaluation. We shown that it is possible, to flavour the final product with flavoured calcium carbonate particles.