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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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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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Contexte12. Enjeux économiques
Les nanotechnologies représentent une force dominante en matière de croissance économique au cours des prochaines décennies et elles devraient constituer une plateforme stratégique en matière de développement. Les chiffres ne trompent pas : les économistes considèrent que les nanotechnologies pourraient être à l’origine d’une nouvelle révolution industrielle pour le XXIe siècle. Le revenu mondial généré en 2001 était supérieur à 40 milliards d’euros et devrait atteindre 1 000 milliards d’euros vers 2010-2015, selon la Commission européenne, et pourrait engendrer l’emploi direct de 2 millions de personnes. Le bois et la fibre de bois peuvent être transformés en nanomatériaux et en produits intermédiaires à haute valeur ajoutée, qui pourraient être utilisés pour fabriquer une variété de produits perfectionnés tout à fait uniques. Bon nombre des nouveaux produits auront pour base un nanomatériau dérivé des plantes – la nanocellulose. Ce nanomatériau est vraisemblablement promis à un brillant avenir. Les travaux de recherche démontrent qu’il est doté de propriétés remarquables, dont certaines sont tout à fait uniques, et d’autres comparables à celles de nanomatériaux bien connus. Cependant, bien que ce secteur soit en plein développement, de nombreux scientifiques sont encore partagés sur le sujet, celui-ci faisant l'objet d'interrogations éthiques quant aux risques environnementaux et sanitaires et à certaines incertitudes encore associées aux nanoparticules et à certains de leurs usages. Un rapport révèle que les nanocristaux de cellulose présentent un potentiel de toxicité et un risque environnemental faibles [124].
Deux importants programmes ont vu le jour récemment.
L’un d’eux est la création en Finlande du centre Suomen Nanoselluloosakeskus ou Finnish Centre for Nanocellulosic Technologies, dont l’activité a commencé en mars 2008. Ce centre regroupe 40 chercheurs soutenus par le Centre national de la recherche technique VTT, l’université de technologie d’Helsinki (TKK), ainsi que le pool de recherche et d’industries de la société forestière UPM. L’objectif de ce projet est de trouver de nouvelles possibilités d’utilisation pour la cellulose en tant que matière première et matériau. Ce centre de recherche se consacre à la valorisation de la cellulose et plus spécifiquement à l’extraction...
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