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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.
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Propriétés thermiques des nanocomposites polymères renforcés par des whiskers de cellulose7. Microstructure des nanocomposites polymères renforcés par des whiskers de cellulose
La méthode la plus simple pour estimer la dispersion des nanocristaux polysaccharides au sein de la matrice polymère hôte est une inspection à l’œil nu. En raison des dimensions nanométriques de la phase renforçante, la transparence du film nanocomposite doit être conservée si elle est initialement observée pour la matrice non chargée. L’opacité suggère la présence d’agrégats de taille micrométrique .
Les propriétés optiques de nanofibres de cellulose bactérienne imprégnées de résine acrylique durcie sous UV ont été étudiées par Nogi et al. dans . Ces auteurs ont observé une faible diminution de la lumière transmise. Ces nanofibres présentent un potentiel intéressant comme matériau de renfort pour des composites optiquement transparents. Pour des raisons de taille, les composites renforcés par des nanofibres conservent la transparence de la résine acrylique utilisée comme matrice, même à taux élevé en fibres (70 % en poids). Parallèlement, le coefficient d’expansion thermique est fortement diminué par l’addition des nanofibres.
La microscopie électronique à balayage (MEB) est généralement employée pour une analyse morphologique plus approfondie. Elle permet d’apporter des informations sur l’homogénéité du composite, la présence de vides, le niveau de dispersion des nanoparticules au sein de la matrice continue, la présence d’agrégats, la sédimentation et l’orientation éventuelle. En comparant les micrographies montrant le faciès de rupture de la matrice non chargée et des composites, les nanocristaux peuvent être facilement identifiés. Ils apparaissent sous forme de points blancs. Ces points correspondent aux sections transverses...
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Microstructure des nanocomposites polymères renforcés par des whiskers de cellulose
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