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RÉSUMÉ
La cellulose se présente sous la forme de microfibrilles cristallines possédant des propriétés physiques axiales proches de celles du cristal parfait. Des suspensions aqueuses de nanocristaux peuvent être préparées par hydrolyse acide du substrat. Les nanocristaux résultants sont composés de particules en bâtonnets, ou whiskers, dont les dimensions dépendent de la nature du substrat. Ils peuvent être utilisés pour préparer des nanocomposites à matrice polymère. La formation d'un réseau rigide, résultant d'interactions fortes entre whiskers, est gouvernée par un mécanisme de percolation. Ce réseau obtenu par liaisons hydrogène conduit à un effet de renfort exceptionnel et à la stabilisation thermique du composite. Hormis des applications pratiques, l'étude de ces matériaux nanocomposites peut aider à la compréhension de certaines propriétés physiques comme les phénomènes de percolation géométrique et mécanique.
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Cellulose appears in the form of crystalline microfibrils having axial physical properties close to those of the perfect crystal. Aqueous suspensions of nanocrystals may be prepared by the acid hydrolysis of the substrate. The resulting nanocrystals are composed of rod-shaped particles, or whiskers, whose dimensions depend on the nature of the substrate. They can be used in order to prepare nanocomposites with a polymer matrix. The formation of a rigid network, resulting from strong interactions between whiskers, is governed by a percolation mechanism. The network produced by hydrogen bonding induces an exceptional reinforcing effect and the thermal stabilization of the composite. Apart from practical applications, the study of these nanocomposite materials can help to understand certain physical properties such as phenomena of geometric and mechanical percolation.
Auteur(s)
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Alain Dufresne : Professeur à l’Institut polytechnique de Grenoble, travaille au laboratoire de génie des procédés papetiers (LGP2 - UMR CNRS 5518) de l’École internationale du papier, de la communication imprimée et des biomatériaux (Pagora)
INTRODUCTION
La cellulose se présente sous la forme de microfibrilles cristallines présentant des propriétés physiques axiales proches de celles du cristal parfait. Des suspensions aqueuses de nanocristaux peuvent être préparées par hydrolyse acide du substrat. Les nanocristaux résultants se présentent sous forme de particules en bâtonnets ou whiskers, dont les dimensions dépendent de la nature du substrat (longueur typique de l’ordre de 100 nm et diamètre entre 5 et 20 nm). Ils peuvent être utilisés pour préparer des nanocomposites à matrice polymère. La formation d’un réseau rigide, résultant d’interactions fortes entre whiskers, est gouverné par un mécanisme de percolation. Ce réseau obtenu par liaisons hydrogène conduit à un effet de renfort exceptionnel et à la stabilisation thermique du composite. Hormis des applications pratiques, l’étude de ces matériaux nanocomposites peut aider à la compréhension de certaines propriétés physiques comme les phénomènes de percolation géométrique et mécanique.
Cellulose occurs as crystalline microfibrils that have axial physical properties approaching those of perfect crystals. Aqueous suspensions of such nanocrystals can be prepared by acid hydrolysis of the substrate. The resulting nanocrystals occur as rod-like particles or whiskers, which dimensions depend on the nature of the substrate (typical length around 100 nm and diameter ranging between 5 and 20 nm).They can be used to prepare polymer nanocomposites. The formation of a rigid network, resulting from strong interactions between whiskers, is governed by a percolation mechanism. This hydrogen-bonded network induced a huge reinforcing effect and the thermal stabilization of the composite. In addition to some practical applications, the study of these nanocomposite materials can help to understand some physical properties as geometric and mechanical percolation effect.
Cellulose, nanocomposites, whiskers, nanocristaux, microfibrilles
Cellulose, nanocomposites, whiskers, nanocrystals, microfibrils
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Structure de la cellulose1. Contexte
L’industrie papetière est un secteur industriel traditionnel et mature. Elle joue un rôle déterminant dans le développement de la forêt et de la filière bois. Elle doit donc être considérée comme un secteur stratégique de l’industrie car elle participe à l’aménagement du territoire et contribue, pour une part, à la protection de l’environnement. Malgré l’apparition de nouveaux supports d’écriture et de lecture, comme les documents électroniques et le papier numérique, la consommation de papier ne cesse de croître. Cependant, la situation des industries graphiques et papetières, traditionnellement situées aux États-Unis, au Canada et en Europe du Nord, est délicate et les difficultés ne font que s’aggraver. Des délocalisations se poursuivent actuellement, non seulement vers l’Asie, mais aussi en Amérique du Sud et à l’intérieur même de l’Europe. Les secteurs forestiers traditionnels sont touchés de plein fouet par la concurrence grandissante des pays émergents. Ce phénomène est bien entendu lié à la possibilité de fabrication de papier à partir de différentes espèces végétales, dont certaines présentent des conditions de culture avantageuses dans certaines régions du globe, et à la proximité des consommateurs.
Il est donc nécessaire de raviver les secteurs forestiers en permettant une utilisation plus diversifiée des fibres papetières. La mise au point et la production de matériaux à haute valeur ajoutée sont donc importantes pour la survie de ces industries. L’émergence des nanosciences et des nanotechnologies et l’engouement suscité par celles-ci ouvrent la voie à de nouvelles niches de marché pour le secteur forestier, plus particulièrement en permettant la création de nouveaux matériaux et dispositifs. La hiérarchie de structure des fibres lignocellulosiques permet l’extraction de particules de taille nanométrique. Ce matériau, parfois appelé nanocellulose, a suscité depuis quelques années un intérêt grandissant dans la communauté scientifique, et l’émergence de nouveaux groupes de recherche laisse présager une accélération des découvertes. L’orientation première des recherches allait vers les papiers renforcés et les emballages, mais la nanocellulose démontre des qualités bien plus variées que les fibres de cellulose et laisse entrevoir des applications quasi illimitées dans des secteurs en quête...
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