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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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Matériaux à base de cellulose2. Structure de la cellulose
La fonction principale de la cellulose est d’assurer le maintien de la structure des plantes et autres organismes vivants. Elle se présente sous la forme de filaments résultant de l’association linéaire de cristallites. Ces entités appelées microfibrilles (assemblage de chaînes cellulosiques) forment l’unité structurale de base de la paroi cellulaire de la plante. Chaque microfibrille peut être considérée comme un chapelet de cristallites de cellulose, liés le long de l’axe de la chaîne par des domaines amorphes. Leur structure consiste en un cœur cellulosique majoritairement cristallin. Celui-ci est recouvert d’une gaine de matériau polyglucosane paracristallin entourée d’hémicelluloses .
Ces microfibrilles s’agrègent pour former les fibres lignocellulosiques. Selon leur origine, le diamètre des microfibrilles est compris entre 2 et 20 nm et leur longueur peut atteindre plusieurs dizaines de microns. Le module des zones cristallines de ces microfibrilles est proche de la limite théorique pour la cellulose. L’espoir placé dans les composites à base de cellulose tient dans la valeur du module de Young du nanocristal de cellulose dérivé de la chimie théorique, qui est potentiellement supérieur à celui de l’acier et similaire à celui du Kevlar. Il a été étudié expérimentalement, en 1962, à partir de la déformation d’un cristal de cellulose I en utilisant des fibres blanchies orientées de ramie . Une valeur de 137 GPa a été reportée. Elle diffère de l’estimation théorique de 167,5 GPa reportée par Tashiro et Kobayashi . Au début des années 2000, la technique de spectroscopie Raman...
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