L’équipe Bioproduct Chemistry de l’Université Aalto a conçu une méthode durable pour produire des films cellulosiques solides et flexibles qui conservent incroyablement leur résistance même lorsqu’ils sont mouillés.
Le matériau est fabriqué à partir d’une combinaison innovante de polymères à base de bois et biodégradables sans aucune modification chimique, exploitant au maximum les avantages de chaque composant. Pour les co-auteurs de cette étude, la durabilité est une motivation importante pour comprendre la chimie de la façon dont ces matériaux pourraient fonctionner ensemble et développer les matériaux de demain avec la fonctionnalité que nous attendons aujourd’hui.
Les matériaux cellulosiques, qui proviennent des parois cellulaires des plantes, sont devenus des substituts attrayants et durables aux plastiques traditionnels. Cependant, la sensibilité à l’humidité de la cellulose et son incompatibilité avec de nombreux polymères hydrophobes mous sont des défis à leur application généralisée.
Du point de vue de la conception des matériaux, tirer parti à la fois de la cellulose hydrophile et des polymères hydrophobes sans aucun traitement chimique des matières premières est mystificateur. Mais que se passerait-il si nous pouvions concevoir leur interface avec un troisième composant, ayant des interactions favorables avec la cellulose et les polymères mous tels que le polycaprolactone (PCL) ?
Pour atteindre cet objectif, l’équipe a démontré que les nanoparticules de lignine avec leur morphologie bien définie et leurs sites de surface actifs peuvent interagir à la fois avec la cellulose, dans ce cas les nanofibrilles de cellulose, et le PCL et agir comme agent de compatibilité entre la cellulose hydrophile et le PCL hydrophobe. Bien que cela semble complexe, la solution est simple.
Tout d’abord, le PCL dissous dans un solvant organique est mélangé avec les nanoparticules de lignine dans l’eau. Les particules de lignine s’assemblent à l’interface huile-eau et stabilisent l’émulsion. Les émulsions stabilisées avec des particules solides sont appelées émulsions de Pickering. Cette émulsion est ensuite mélangée avec une suspension aqueuse de CNF avant la formation du film.
Cette stratégie d’émulsion de Pickering crée une dispersion uniforme d’un polymère dans le réseau cellulosique, augmentant la résistance à l’état humide et la résistance à l’eau du composite, tout en conservant toutes les caractéristiques positives des fibres ou fibrilles de cellulose. Les résultats sont excellents : le composite développé a une résistance supérieure à celle du nanopapier CNF pur ou du polymère pur dans des conditions sèches et humides, même après une immersion complète dans l’eau pendant une journée.
« Lorsque le film a été sorti de l’eau, il avait exactement le même aspect que lorsqu’il a été mis dans l’eau », explique Kimiaei. La raison en est que le polymère hydrophobe, à l’aide des nanoparticules de lignine, recouvre maintenant la surface de cellulose en la protégeant de l’eau.
Le composite a révélé une résistance à l’état humide allant jusqu’à 87 MPa, la résistance à l’état humide la plus élevée obtenue pour les composites cellulosiques développés sans modifications de surface covalentes directes ni additifs synthétiques. De plus, cette stratégie a ajouté des fonctionnalités supplémentaires, telles que la protection contre les UV et les propriétés antioxydantes aux composites développés, ce qui les rend intéressants pour les applications d’emballage.
L’équipe de l’Université Aalto en Finlande, un pays qui compte sans doute les meilleurs experts mondiaux de l’industrie forestière, s’attache à tirer le meilleur parti de ces ressources naturelles et industrielles. « Construire l’avenir avec les forêts nécessite un engagement envers la gestion durable des forêts et la création de valeur supplémentaire au-delà de l’industrie typique des bioraffineries et des pâtes et papiers », déclare le co-auteur Erfan Kimiaei, doctorant à l’Université Aalto, École de génie chimique.
« Comprendre la chimie interfaciale des composants en bois peut être la clé pour tirer le meilleur parti de cette précieuse ressource dans la construction d’un avenir durable », ajoute la professeure Monika Österberg.
Pour les experts dans le domaine, cette approche ouvre de nouvelles possibilités pour éliminer le besoin de modification chimique de la cellulose pour conférer de nouvelles fonctionnalités, favorisant l’utilisation durable des ressources naturelles de la forêt. De plus, cette recherche offre une base générique pour combiner la cellulose hydrophile avec divers polymères mous hydrophobes pour concevoir des composites multifonctionnels à base de cellulose utilisant uniquement des polymères biodégradables et des matériaux lignocellulosiques, faisant un grand pas vers une utilisation entièrement durable des ressources naturelles.
En guise de suivi, les chercheurs explorent maintenant un cadre général pour identifier la durabilité de cette technologie à un stade précoce dans les aspects environnementaux et économiques en intégrant des évaluations technico-économiques et du cycle de vie.
L’étude a été publiée dans Interfaces de matériaux avancés le 25 août.
Plus d’information:
Erfan Kimiaei et al, Lignin Nanoparticles as an Interfacial Modulator in Tough and Multi‐Resistant Cellulose–Polycaprolactone Nanocomposites Based on a Pickering Emulsions Strategy, Interfaces de matériaux avancés (2022). DOI : 10.1002/admi.202200988