Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Parmi les applications potentielles des nanomatériaux cellulosiques, la préparation de nanocomposites polymères est certainement celle qui présente le plus fort intérêt. Ceci est lié à la fonction structurale de la cellulose. Avec un module de Young de l'ordre de 100-130 GPa et une surface spécifique de plusieurs centaines de m2.g-1, les nanomatériaux cellulosiques ont le potentiel d'améliorer de manière significative les propriétés mécaniques des polymères, ainsi que d'autres propriétés d'intérêt pour certaines applications. Cependant, comme pour tout nanomatériau, la dispersion homogène de ces nanoparticules est délicate et présente un défi majeur. Cet article décrit les stratégies de mise en oeuvre rapportées dans la littérature, ainsi que les propriétés des matériaux obtenus.
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Among the potential applications of cellulose nanomaterials, the preparation of polymer nanocomposites stands out. This application is of course related to the structural function of cellulose. With a Young's modulus of the order of 100-130 GPa, and a surface area of several hundred m2.g-1, cellulose nanomaterials have the potential to significantly improve the mechanical properties of polymers, as well as having other useful properties for certain applications. However, as for any nanomaterial, the homogeneous dispersion of nanoparticles is difficult and presents a major challenge. This paper describes the processing strategies reported in the literature, together with the properties of the materials obtained.
Auteur(s)
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Alain DUFRESNE : Professeur à l’Institut polytechnique de Grenoble, docteur en électronique de l’INSA de Toulouse - Université Grenoble Alpes, LGP2, F-38000 Grenoble & CNRS, LGP2, F-38000 Grenoble, France
INTRODUCTION
La hiérarchie de structure des fibres lignocellulosiques permet l’extraction de particules de taille nanométrique. Ces nanoparticules appelées nanocellulose ou nanomatériaux cellulosiques englobent essentiellement les nanofibrilles de cellulose (CNF – Cellulose NanoFibrils) obtenues par voie mécanique et les nanocristaux de cellulose (CNC – Cellulose NanoCrystals) obtenus par voie chimique. La cellulose est l’élément de structure des végétaux supérieurs. Il est donc logique que la principale application visée pour les nanoparticules cellulosiques soit sous forme d’élément de renfort de nanocomposites polymères. De nombreuses techniques, à la fois expérimentales et théoriques, ont été utilisées pour déterminer le module de Young des matériaux nanocellulosiques . Une large gamme de valeurs a été rapportée. Cependant, la valeur moyenne du module est d’environ 100 GPa pour les CNF et 130 GPa pour les CNC . Ces valeurs sont conséquentes et tout à fait compatibles avec l’élaboration de matériaux nanocomposites haute performance. De plus, le module spécifique, c’est-à-dire le module normalisé par rapport à la densité du matériau, est souvent utilisé. En prenant en compte la densité de la cellulose cristalline (1,5-1,6 g.cm−3), on trouve des valeurs de module spécifique de l’ordre de 65 J.g−1 et 85 J.g−1 pour les CNF et CNC, respectivement, nettement supérieures à celles de l’acier et du même ordre de grandeur que celle du Kevlar .
L’utilisation de nanocellulose comme « nano-additif » dans une formulation polymère permet non seulement d’améliorer les propriétés mécaniques du matériau, mais également les propriétés de barrière ou de résistance au gonflement. L'introduction de nanomatériaux cellulosiques dans les matériaux nanocomposites a été identifiée comme l'une des quatre plus grandes découvertes depuis 2000 dans le rapport « Nanotechnology Research Directions for Societal Needs in 2020 » et l’utilisation généralisée dans les nanotechnologies de matières premières renouvelables et abondantes comme étant le « Saint Graal » à atteindre et l’obstacle à surmonter d’ici 2020.
Dans cet article, les différentes méthodes de préparation de matériaux nanocomposites à matrice polymère et renfort nanocellulose sont tout d’abord présentées. Les propriétés mécaniques des matériaux résultants sont ensuite abordées. L’influence de paramètres comme la morphologie des nanoparticules, le procédé de mise en œuvre, ainsi que la microstructure de la matrice et les interactions matrice-renfort sont développées. Enfin, les propriétés de gonflement et barrière de ces matériaux sont brièvement présentées.
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KEYWORDS
cellulose | nanocrystals | nanofibrils | polymers | nanotechnology
VERSIONS
- Version courante de mars 2023 par Alain DUFRESNE
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Propriétés mécaniques des nanocomposites1. Mise en œuvre
La principale difficulté associée aux nanoparticules est d’en réaliser une dispersion homogène au sein d’une matrice polymère. En effet, en diminuant la taille de la particule, la surface spécifique augmente rapidement, ce qui exacerbe leur tendance à l’autoagrégation. La figure 1 montre l’évolution de la surface spécifique de cylindres cellulosiques en fonction de leur diamètre. On constate sur cette figure qu’en dessous d’un diamètre de 20 nm, c’est-à-dire dans la gamme de valeurs correspondant aux nanoparticules cellulosiques, la surface spécifique de celles-ci augmente très rapidement et atteint des valeurs de l’ordre de quelques centaines de m2.g−1. De plus, la cellulose présente une surface réactive avec une densité importante de groupements hydroxyle pouvant donner lieu à des interactions hydrogène, ce qui amplifie ce phénomène d’autoagrégation. Le procédé d’élaboration des matériaux nanocomposites à base de nanocellulose est donc primordial car il va conditionner l’état de dispersion des nanoparticules permettant de conserver la dimension nanométrique, et donc les propriétés du matériau final. Les différentes stratégies rapportées dans la littérature sont résumées sur la figure 2.
1.1 Milieu liquide
Les nanoparticules cellulosiques forment des suspensions stables dans l’eau. Le milieu aqueux est donc le milieu privilégié de mise en œuvre. Ceci limite le choix de la matrice aux polymères hydrosolubles ou hydrodispersibles. Une première alternative consiste à utiliser des polymères dispersés en milieu aqueux, comme des latex, qui permettent l’utilisation de polymères hydrophobes comme matrice et assurent un bon niveau de dispersion de la charge.
La première étude sur des nanocomposites renforcés par des nanocristaux de cellulose a été rapportée par Favier et al. ...
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Mise en œuvre
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DUFRESNE (A.) - Nanocellulose : from nature to high performance tailored materials. - Walter De Gruyter GmbH, Berlin/Boston (2012).
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(2) - DUFRESNE (A.) - * - . – Mater. Today – 16, 220 (2013).
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(3) - ROCO (M.C.), MIRKIN (C.A.), HERSAM (M.C.) - Nanotechnology Research Directions for Society Needs in 2020. - WTEC Panel Report, Springer, Boston and Berlin (2010).
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(4) - FAVIER (V.), CANOVA (G.R.), CAVAILLE (J.Y.), CHANZY (H.), DUFRESNE (A.), GAUTHIER (C.) - * - . – Polym. Adv. Technol., 6, 351 (1995).
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(5) - HELBERT (W.), CAVAILLE (J.Y.), DUFRESNE (A.) - * - . – Polym. Compos., 17, 604 (1996).
-
(6) - DUFRESNE (A.), CAVAILLE (J.Y.), HELBERT (W.) - * - . – Polym Compos., 18, 198 (1997).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
TAPPI Nanocellulose Video – Rethink Paper
https://www.youtube.com/watch?v=R3HH4iN8aDM (page consultée le 19 novembre 2014)
HAUT DE PAGE
Congrès : TAPPI International Conference on Nanotechnology for renewable Materials (a lieu tous les ans)
HAUT DE PAGE3 Annuaire (principaux acteurs du secteur)
3.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Production de nanocristaux de cellulose
Alberta Innovates Technology Futures, Canada
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