Une recette durable pour combiner la cellulose avec des polymères hydrophobes pour des applications avancées

Un film élastique qui n’absorbe pas une goutte d’eau. Crédit : Université Aalto / Sahar Babaeipour

L’équipe de chimie des bioproduits de l’Université Aalto a développé 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 et tire le meilleur parti 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 peuvent fonctionner ensemble et développer les matériaux de demain avec la fonctionnalité que nous attendons aujourd’hui.

Les matériaux cellulosiques issus des parois cellulaires végétales sont apparus comme des substituts attrayants et durables aux plastiques traditionnels. Cependant, la sensibilité de la cellulose à l’humidité et son incompatibilité avec de nombreux polymères hydrophobes mous posent des défis pour leur application généralisée.

Du point de vue de la conception des matériaux, il est étrange d’obtenir à la fois les avantages de la cellulose hydrophile et des polymères hydrophobes sans aucun traitement chimique de la matière première. Mais que se passerait-il si nous pouvions les interfacer avec un troisième composant qui a 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 et leurs surfaces actives bien définies, peuvent interagir à la fois avec la cellulose, en l’occurrence les nanofibrilles de cellulose, et la PCL, agissant comme compatibilisant entre la cellulose hydrophile et la PCL hydrophobe. Bien que cela semble compliqué, la solution est simple.

Nanoparticules de lignine : une recette durable associant la cellulose à des polymères hydrophobes pour des applications avancées

La résistance du matériau composite était supérieure à celle du papier de nanocellulose seul ou du polymère seul dans des conditions sèches et humides. Crédit : Université Aalto / Erfan Kimiaei

Tout d’abord, le PCL dissous dans un solvant organique est mélangé avec des nanoparticules de lignine dans de l’eau. Les particules de lignine s’accumulent à l’interface huile-eau et stabilisent l’émulsion. Les émulsions stabilisées par des particules solides sont appelées émulsions de Pickering. Cette émulsion est ensuite mélangée à une suspension aqueuse de CNF avant filmification.

Cette stratégie d’émulsion de Pickering crée une dispersion uniforme du polymère dans le réseau de cellulose, augmentant la résistance à l’humidité et la résistance à l’eau du composite, tout en conservant toutes les propriétés positives des fibres ou fibrilles de cellulose. Les résultats sont remarquables : le composite préparé a une résistance supérieure à celle du nanopapier CNF pur ou du polymère pur dans des conditions sèches et humides, même après l’avoir complètement immergé dans l’eau pendant une journée.

“Lorsque le film a été sorti de l’eau, il avait le même aspect que lorsqu’il avait été jeté dans l’eau”, explique Kimiaei. En effet, le polymère hydrophobe, à l’aide de nanoparticules de lignine, recouvre désormais la surface de la cellulose, 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 préparés sans modification de surface covalente directe ni additifs synthétiques. De plus, cette stratégie a ajouté des fonctionnalités supplémentaires aux composites préparés, telles que des propriétés anti-UV et antioxydantes, ce qui les rend intéressants pour les applications d’emballage.

L’équipe de l’université finlandaise Aalto, qui compte 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 ajoutée au-delà de l’industrie typique des bioraffineries et des pâtes et papiers”, déclare le co-auteur Erfan Kimiaei, étudiant au doctorat à l’École de génie chimique de l’Université Aalto.

“Comprendre la chimie interfaciale des composants en bois peut être la clé pour tirer le meilleur parti de cette ressource précieuse dans la construction d’un avenir durable”, ajoute le professeur Monika Österberg.

Pour les experts dans le domaine, cette approche ouvre de nouvelles opportunités pour éliminer le besoin de modification chimique de la cellulose pour conférer de nouvelles fonctions, favorisant l’utilisation durable des ressources naturelles de la forêt. De plus, cette étude offre une base générale 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, franchissant une étape majeure vers une utilisation pleinement durable des ressources naturelles.

En guise de suivi, les chercheurs explorent actuellement un cadre général pour déterminer la durabilité environnementale et économique de la technologie à ce stade précoce, combinant des évaluations technico-économiques et du cycle de vie.

L’étude a été publiée Interfaces de matériaux avancés Le 25 août.

Détails:
Erfan Kimiaei et al., Lignine Nanoparticles as Interfacial Modulators in Tough and Highly Resistant Cellulose-Polycaprolactone Nanocomposites Based on Selective Emulsion Strategy, Interfaces de matériaux avancés (2022). DOI : 10.1002/admi.202200988

Fourni par l’Université Aalto

Devis: Lignin nanoparticles: A sustainable recette for combination cellulose with hydrophobic polymers for advanced applications (8 novembre 2022) Extrait le 8 novembre 2022 de https://phys.org/news/2022-11-lignin-nanoparticles-sustainable-recipe- la combinaison a été réalisée. .html

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