Extraction et compatibilisation de nanocristaux de cellulose issus de résidus lignocellulosiques pour le renforcement de biocomposites

Actuellement, l’utilisation intensive des matières plastiques dérivées du pétrole occasionne de nombreuses et sérieuses problématiques environnementales qui préoccupent l’ensemble de la société. Afin de diminuer leur utilisation et de les remplacer progressivement par des matériaux durables, de nombreuses recherches sont axées sur l’élaboration de composites à matrices biopolymères et à renforts biosourcés produits à partir de ressources renouvelables. Parmi les biorenforts potentiels, les fibres cellulosiques contenues à l’intérieur des végétaux présentent l’avantage d’être peu coûteuses, peu denses, et possèdent des propriétés spécifiques comparables aux fibres synthétiques permettant ainsi de les utiliser dans de nombreux secteurs tels que l’automobile, la construction, l’emballage alimentaire, etc. Néanmoins, les végétaux ne sont actuellement pas utilisés à leur plein potentiel. Certaines parties des plantes ne sont tout simplement pas exploitées. La littérature foisonne d’études portant sur l’extraction de fibres et fibrilles de cellulose ainsi que des nanocristaux faisant partis de leur structure. Les nanocristaux de cellulose (NCC) possèdent en général de bonnes propriétés de renforcement grâce à leurs microstructures et leur cristallinité élevée. De plus, la source de cellulose, la méthode d’extraction et les traitements utilisés permettent de faire varier la morphologie des NCC et donc l’obtention de particules isotropes ou anisotropes selon les applications désirées. Néanmoins, le caractère hydrophile de la cellulose, principalement dû à la présence de nombreux groupements hydroxyles dans sa structure, limite la dispersion, l’adhésion interfaciale et donc le renforcement des polymères hydrophobes. Afin d’améliorer la compatibilité NCC/matrice, de nombreuses approches ont été effectuées afin de modifier la chimie de surface des nanocristaux de cellulose. Leur utilisation majoritaire dans les matrices polymères a amené de nombreux chercheurs à étudier le greffage de chaînes polymériques à leur surface. Ainsi, certaines études se sont focalisées sur le greffage de chaînes d’acide polylactique (PLA) ou de polycaprolactone (PCL) à la surface des NCC pour le renforcement de biopolymères. Néanmoins, les procédés actuels utilisés pour la compatibilisation des NCC et la formation de ces biocomposites restent complexes et énergivores. Le développement d’un procédé simple est donc nécessaire pour envisager et promouvoir l’utilisation à une plus grande échelle de NCC issus de résidus cellulosiques. Dans ce projet en vue de valoriser la biomasse locale, des tiges de lin canadien et d’asclépiade provenant du Québec ont été utilisées. Afin d’examiner leur structure et déterminer leur composition chimique, un procédé d’extraction de la cellulose, en éliminant successivement les différents constituants présents dans ces fibres a été utilisé. De plus, un traitement de mercerisation a été employé dans le but d’éliminer l’hémicellulose et modifier la structure cristalline de la cellulose, en une forme plus stable thermodynamiquement. Les différentes étapes d’extraction ont été examinées par infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), diffraction aux rayons X (XRD), analyse thermogravimétrique (TGA) et, microscopie électronique à balayage (SEM), en transmission (TEM) et à force atomique (AFM) afin de quantifier et déterminer les constituants présents dans les fibres, la cristallinité, la structure cristalline, la stabilité thermique ainsi que la morphologie et la rigidité des nanocristaux de cellulose obtenus par hydrolyse acide. Les résultats montrent l’obtention de nanoparticules à morphologie sphérique et cylindrique (i.e. whiskers ou bâtonnets) à partir des tiges de lin et d’asclépiade respectivement. En outre, l’analyse thermique a mis en évidence une meilleure résistance thermique de la cellulose de type-II comparativement à la cellulose native de type-I. Enfin, l’analyse AFM a permis, quant à elle, de mesurer le module transversal des NCC extraits. L’utilisation d’un sel d’argent en présence de monomères d’e-caprolactone (e-CL) a permis d’initier la polymérisation par ouverture de cycle à température ambiante et d’assurer la compatibilisation des NCC au travers d’un procédé simple. En effet, le protocole développé a permis le greffage, par liaisons covalentes, de chaînes de PCL à la surface des NCC durant la polymérisation in situ de la matrice PCL. La formation de liaisons ester entre les chaînes de PCL et les NCC et, de particules d’argent, Ag (0), ont été analysées par spectrométrie photoélectrique (XPS), spectroscopies infrarouge et UV ainsi que par microscopie électronique à balayage (SEM) afin de comprendre le mécanisme réactionnel.

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