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Université Joseph-Fourier - Grenoble I (17/12/2007), Daniel SAMAIN ; Laurent HEUX (Dir.)
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Etude de l'estérification de la cellulose par une synthèse sans solvant.
Application aux matériaux nanocomposites.
Sophie Berlioz1

L'estérification est une méthode connue pour contourner les difficultés liées à la mise en œuvre de la cellulose (faible compatibilité avec les matériaux apolaires, agrégation, hydrophilie). Notre étude a ainsi porté sur le développement d'un procédé en phase gazeuse (sans solvant) permettant le greffage de chlorure d'acide gras sur les hydroxyles de la cellulose. L'étude de cette réaction s'est faite à différentes échelles: de la fibre aux whiskers de cellulose. En premier lieu, le procédé a été étudié pour l'hydrophobisation du papier. Le développement d'une modélisation en parallèle des résultats expérimentaux a permis d'appréhender les cinétiques de diffusion et de greffage impliquées. L'estérification a ensuite été élargie à des substrats possédant de plus grandes surfaces spécifiques : les microfibrilles issues de pâte de bois, les whiskers (coton, tunicier) et la cellulose bactérienne. Les mesures du degré d'avancement de la réaction par RMN du solide et par gravimétrie ont montré que la densité de greffage était influencée non seulement par les conditions expérimentales mais également par la nature des substrats. Sous certaines conditions, une substitution pratiquement complète est possible. Les changements de morphologie et de structure induits par la réaction ont été étudiés par diffraction des rayons X, microscopie électronique à transmission et calorimétrie différentielle à balayage. Des caractérisations par analyse mécanique dynamique (DMTA) et par des tests de traction ont montré que l'incorporation de microfibrilles dérivatisées permet une amélioration significative des propriétés mécaniques d'un polyéthylène sans diminution majeure de sa résilience.
1:  CERMAV - Centre de recherches sur les macromolécules végétales
estérification – cellulose – microfibrilles – whiskers de cellulose – synthèse sanssolvant – renforcement des matériaux composites

Investigation of a new solvant-free method for esterification of cellulose.
Application in nanocomposite materials
An interesting way to circumvent problems linked to use of cellulose ( high hydrophilicity, low compatibility with non-polar polymers is esterification. In this work, we describe the use of a novel solvent-free chemical pathway for grafting of fatty acid chlorides on to the hydroxyls of cellulose. This reaction was applied at different scales: from fibre to whiskers. In a first step, the process was studied on the hydrophobization of paper. The development of a modelling based on experimental results allows the estimation of the kinetics of diffusion and grafting and so a better understanding of the process. Then, the process was enlarged to other cellulose substrates with higher specific surfaces: microfibrils of wood pulp, bacterial cellulose and cotton and tunicate whiskers. The progress of the esterification was quantified by solid-state NMR and by gravimetric method. The grafting density depends not only on the nature of the substrate but also on the experimental conditions. An almost totally esterification could be achieved in specific conditions. The structural and morphological changes of the substrate at various degrees of grafting were assessed by X-ray diffraction, transmission electron microscopy and differential scanning calorimetry. The characterizations by dynamic mechanical thermal analysis and by tensile tests showed that the incorporation of esterified microfibrils allows an improvement of the strength of polyethylene without a significant diminution of its tenacity.
esterification – cellulose – microfibrils – cellulose whiskers – solvent-free synthesis – composite reinforcement

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