Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
La cellulose est l'élément de structure des végétaux et se présente sous la forme de microfibrilles cristallines ayant des propriétés physiques axiales proches de celles du cristal parfait. Cette caractéristique morphologie permet l'extraction de nanoparticules. Un cisaillement mécanique permet la libération de microfibrilles plus ou moins individualisées. Le clivage longitudinal de ces microfibrilles peut être obtenu par un traitement d'hydrolyse acide, qui permet la dissolution des domaines amorphes. Cet article décrit les procédés d'obtention de ces nanomatériaux, leur morphologie et les marchés potentiels. Avec un module de Young de l'ordre de 100-130 GPa et une surface spécifique de plusieurs centaines de m2.g-1, de nouvelles propriétés prometteuses peuvent être envisagées pour la cellulose sous forme nanométrique.
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Cellulose is the structural component in plants, where it occurs as crystalline microfibrils that have axial physical properties approaching those of perfect crystals. This morphological feature allows the extraction of nanoparticles. Multiple mechanical shearing actions allow the release of variably individualized microfibrils. Longitudinal cleavage of these microfibrils can be achieved by a strong acid hydrolysis treatment, allowing dissolution of amorphous domains. This article describes the processes for obtaining these nanomaterials, their morphology and their potential markets. A Young's modulus in the range 100–130 GPa and a specific surface area of several hundred m2.g-1 lend nanometric cellulose promising properties.
Auteur(s)
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Alain DUFRESNE : Professeur à l’Institut polytechnique de Grenoble - Université Grenoble Alpes, LGP2, F-38000 Grenoble & CNRS, LGP2, F-38000 Grenoble, - France
INTRODUCTION
L’industrie papetière est un secteur industriel traditionnel et mature. Elle joue un rôle déterminant dans le développement de la forêt et de la filière bois. Elle doit donc être considérée comme un secteur stratégique de l’industrie car elle participe à l’aménagement du territoire et contribue, pour une part, à la protection de l’environnement. Malgré l’apparition de nouveaux supports d’écriture et de lecture, comme les documents électroniques et le papier numérique, la consommation de papier ne cesse de croître. Ce phénomène est bien entendu lié à la possibilité de fabrication de papier à partir de différentes espèces végétales, dont certaines présentent des conditions de culture avantageuses dans certaines régions du globe, et à proximité des consommateurs. Des délocalisations se poursuivent actuellement, non seulement vers l’Asie, mais aussi en Amérique du Sud et à l’intérieur même de l’Europe. Les secteurs forestiers traditionnels sont touchés de plein fouet par la concurrence grandissante des pays émergents. Cependant, la situation des industries graphiques et papetières, traditionnellement situées aux États-Unis, au Canada et en Europe du Nord, est délicate et les difficultés ne font que s’aggraver. Il est donc nécessaire de raviver les secteurs forestiers en permettant une utilisation plus diversifiée des fibres papetières. La mise au point et la production de matériaux à haute valeur ajoutée sont donc importantes pour la survie de ces industries. L’émergence des nanosciences et des nanotechnologies et l’engouement suscité par celles-ci ouvrent la voie à de nouveaux marchés de niche pour le secteur forestier, plus particulièrement en permettant la création de nouveaux matériaux et dispositifs.
La morphologie particulière des fibres lignocellulosiques permet d’envisager l’extraction de particules de taille nanométrique. Ce matériau, parfois appelé nanocellulose, a suscité depuis quelques années un intérêt grandissant dans la communauté scientifique, et l’émergence de nouveaux groupes de recherche laisse présager une accélération des découvertes. La production industrielle est maintenant devenue une réalité et nombreuses sont les industries papetières qui se sont orientées dans cette voie prometteuse. L’orientation première des recherches allait vers les papiers renforcés et les emballages, mais la nanocellulose démontre des qualités bien plus variées et laisse entrevoir des applications quasi illimitées dans des secteurs en quête de l’infiniment petit.
Dans cet article, la microstructure des fibres cellulosiques est tout d’abord présentée. Les stratégies permettant l’extraction de particules de taille nanométrique par des voies mécaniques ou chimiques sont ensuite abordées, ainsi que les caractéristiques des suspensions aqueuses et la morphologie des nanoparticules ainsi obtenues. Enfin, les applications potentielles de ces nanomatériaux cellulosiques et les marchés pouvant être impactés, découlant de leurs caractéristiques spécifiques, sont brièvement présentés.
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KEYWORDS
nanoparticles | cellulose | nanocrystals | nanofibrils | polymers | nanotechnology
VERSIONS
- Version courante de févr. 2023 par Alain DUFRESNE
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Nanofibrilles de cellulose1. Cellulose et matériaux cellulosiques
1.1 Structure de la cellulose
La fonction principale de la cellulose est d’assurer le maintien de la structure des plantes et autres organismes vivants. Sa structure chimique est représentée sur la figure 1. Il s’agit d’un glucide constitué de chaînes linéaires de molécules de D-glucose liées entre elles pour former un polymère linéaire, mais, transversalement, elles peuvent développer des liaisons intermoléculaires de type liaison hydrogène. L’unité de répétition (motif monomère) composée de deux unités glucose est appelée cellobiose. Grâce à ces interactions intermoléculaires, la cellulose se présente sous la forme de filaments résultant de l’association linéaire de cristallites (figure 2). 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 (figure 2). 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 mécanique longitudinal des zones cristallines de ces microfibrilles est proche de la limite théorique pour la cellulose en raison de l’absence de défauts structurels. L’espoir placé dans les composites à base de cellulose tient dans la valeur du module de Young du nanocristal de cellulose, dont la valeur peut être prédite théoriquement à partir de la liaison chimique, qui est potentiellement supérieure à celui de l’acier et similaire à celui du Kevlar. Il a été étudié expérimentalement, en 1962, à partir...
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Cellulose et matériaux cellulosiques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - WHISTLER (R.L.), RICHARDS (E.L.) - The Carbohydrates. - 2A, Academic Press, New York, p. 447 (1970).
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(2) - SAKURADA (I.), NUKUSHINA (Y.), ITO (T.) - * - . – J. Polym. Sci., 57, 651 (1962).
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(3) - TASHIRO (K.), KOBAYASHI (M.) - * - . – Polymer, 32, 1516 (1991).
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(4) - ŠTURCOVA (A.), DAVIES (G.R.), EICHHORN (S.J.) - * - . – Biomacromolecules. 6, 1055 (2005).
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(5) - IWAMOTO (S.), KAI (W.), ISOGAI (A.), IWATA (T.) - * - . – Biomacromolecules. 10, 2571 (2009).
-
(6) - DUFRESNE (A.) - Nanocellulose : from nature to high performance tailored materials. - Walter De Gruyter GmbH, Berlin/Boston (2012).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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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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