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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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Mise en œuvre de nanocomposites polymères renforcés par des whiskers de cellulose5. Whiskers de cellulose
5.1 Hydrolyse acide de la cellulose
Des suspensions aqueuses stables de nanocristaux de cellulose peuvent être préparées par hydrolyse acide de fibres naturelles. Différentes dénominations des particules colloïdales en suspension sont utilisées, comme whiskers, monocristaux et nanocristaux. Le terme whiskers est utilisé pour désigner des nanoparticules allongées en forme de bâtonnets. Ces cristallites sont également souvent appelées microfibrilles, microcristaux ou microcristallites malgré leurs dimensions nanométriques. La plupart des études reportées dans la littérature font référence aux nanocristaux de cellulose, bien que des nanocristaux polysaccharides puissent également être obtenus à partir de chitine ou d’amidon. Une revue récente reporte les propriétés et applications des whiskers de cellulose dans le domaine des nanocomposites .
Le procédé de préparation de telles suspensions aqueuses colloïdales est décrit en détail dans la littérature . La biomasse est tout d’abord généralement soumise à un traitement de blanchiment avec NaOH pour purifier la cellulose par élimination des autres constituants. Le matériau blanchi est ensuite désintégré dans l’eau et la suspension résultante est soumise à un traitement d’hydrolyse avec un acide. Les régions amorphes jouent le rôle de défauts structuraux et sont responsables du clivage transversal des microfibrilles en monocristaux courts lors de l’hydrolyse acide ...
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