Films minces cellulosiques anisotropes et nano-à-micro-structurés élaborés par ultrafiltration tangentielle et réticulation UV

Samuel MANDIN 

Description du projet 

Bien que les nanocelluloses aient un potentiel élevé en tant que briques élémentaires dans les composites biosourcés, il demeure difficile d'atteindre une performance optimale pour ces matériaux. Ceci est lié à la nécessité d'obtenir une organisation quasi-parfaite sur une gamme d'échelle étendue. Au cours des procédés de fabrication actuels (extrusion, couchage, déposition, électrospinning, spin coating), l'une des principales difficultés est le contrôle de l'orientation des nanoparticules cellulosiques et l'obtention d'une homogénéité de leur organisation sur des domaines étendus. Actuellement, cette homogénéité est limitée car ces procédés sont couramment mis en œuvre à la concentration finale en nanoparticules des composites fabriqués. Le niveau de concentration est si élevé que les interactions colloïdales prédominent, les forces de pression, de cisaillement ou capillaires appliquées, empêchant un contrôle efficace des orientations sur une large gamme d'échelles (nm au µm). 

Cette limitation peut être dépassée à l'aide de la séparation membranaire. En effet, ce procédé permet de démarrer la mise en forme à partir de concentrations initiales dans le domaine dilué, où les forces de cisaillement et de pression sont suffisamment élevées vis-à-vis des forces d’interactions colloïdales pour induire un fort degré d'alignement des nano-objets près de la surface de la membrane. Il a été récemment montré que ce procédé, suivi par un séchage à l'air libre, permettait de générer des structures stratifiées avec une uniformité d'orientation au sein des couches sur des distances jusqu'à plusieurs dizaines de micromètres (Semeraro et al. Colloids Surf. A 584, 124030 (2020) - https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2019.124030). 

Néanmoins, nos études ont aussi montré que des phénomènes de relaxation partielle pouvaient se produire en fin de filtration. (Rey C. et al. J. Membrane Sci. 578, 69-84 (2019) https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.02.019). Par conséquent, la méthode innovante de fabrication proposée dans ce projet est d'organiser tout d'abord la matière sous filtration tangentielle puis à l’aide d’un polymère photopolymérisable par rayonnement UV de fixer les structures générées.

Les films minces composites sont conçus à partir de nanocelluloses (nanofibrilles ou nanocristaux) combinées à des particules induisant des propriétés fonctionnelles de conductivité, comme les nanotubes de carbone multicouches, ou barrière, comme les argiles naturelles. Les polymères réticulables sous UV sont de type résine acrylate combinée avec un photo-initiateur. 

Afin de comprendre les mécanismes organisationnels impliqués, nous mettons en œuvre des caractérisations in situ par diffusion de la lumière et des rayons X aux petits angles (SAXS-USAXS et SALS) lors de l'ultrafiltration et de la photopolymérisation UV, et ex situ par observation directe par microscopie électronique (MEB et MET) et diffraction des rayons X (WAXS). Par ailleurs, les propriétés fonctionnelles sont aussi caractérisées et reliées à la texture des composites fabriqués.

Cette nouvelle méthode de traitement permettra l'émergence d'activités industrielles pour la conception de nouveaux matériaux cellulosiques composites nano- à microstructurés et possédant des propriétés fonctionnelles améliorées, à savoir : i) des propriétés diélectriques et de conductivité, ii) des propriétés barrières à l'oxygène ou à la vapeur d'eau, iii) des propriétés mécaniques renforcées, ou iv) des propriétés optiques de transparence ou de réflectivité (iridescence).

Encadrants 

Frédéric Pignon

Nicolas Hengl

Bruno Jean