Vers des composites thermoplastiques bio-inspirés : nanostructuration et interfaces comme éléments clés (BIONANINT)
Description
Dans la nature, des matériaux tels que le bois, les os et les tendons présentent des performances mécaniques remarquables grâce à des structures organisées hiérarchiquement dans lesquelles la nanostructuration et les interfaces jouent un rôle essentiel dans le transfert des contraintes [1,2]. Inspirés par ces systèmes naturels, les nanocomposites offrent une voie prometteuse pour concevoir des matériaux durables aux performances améliorées. Il est donc essentiel de comprendre et de caractériser le comportement interfacial des polymères/nanoparticules afin d'optimiser leurs performances et d'imiter la robustesse des matériaux naturels. Parmi les nanoparticules, les nanocelluloses (nanofibrilles et nanocristaux) sont des nanoparticules biosourcées et biodégradables dérivées de microfibrilles de cellulose. Elles présentent une faible densité, une surface spécifique élevée, une résistance mécanique exceptionnelle, une excellente stabilité thermique et des propriétés barrières [3]. Elles offrent donc un grand potentiel en tant qu'agents de renforcement dans les matrices polymères pour plusieurs secteurs [4,5]. Les problèmes actuels liés à l'utilisation des nanocelluloses dans les polymères thermoplastiques sont la mauvaise dispersion et la qualité de l'interface nanocellulose/matrice[4,6-7]. Notre collaboration avec le Pr P. Zinck (Univ Lille) a démontré l'effet significatif de l'ajout de différents types de nanocristaux de cellulose fonctionnalisés (polycarbonate et CNC greffé sur PLA [8,9]) dans le poly(butylène adipate-co-téréphtalate), PBAT, sur les propriétés de traction des nanocomposites PBAT/CNC obtenus [10]. En contrôlant la chimie de surface des CNC, et donc leur dispersion et leur adhérence interfaciale avec le PBAT, il a été possible d'adapter les propriétés de traction des composites. Cependant, de nombreuses questions restent en suspens : en particulier, quels sont les rôles respectifs de la nanostructuration et de l'adhérence interfaciale ?
L'objectif de cette thèse est d'adapter l'interface dans un nanocomposite à base de CNC fonctionnalisé et d'une matrice thermoplastique, afin d'élucider le rôle de la nanostructuration et des phénomènes interfaciaux sur les performances thermomécaniques des composites obtenus. À cette fin, la présente thèse sera supervisée conjointement par l'Université de Lille (fonctionnalisation du CNC avec des protocoles bien maîtrisés par l'équipe du Pr Zinck) et l'IMT Mines Alès (élaboration de nanocomposites, caractérisation des interactions interfaciales par microscopie multi-échelle et analyse rhéologique, et comportement mécanique (traction, impact)). Ces travaux renforceront l'impact du PCH dans les domaines de la physico-chimie interfaciale et de l'utilisation des nanomatériaux cellulosiques comme renforts polymères pour diverses applications (transport, emballage, énergie...). De plus, l'unité PCH favorisera les collaborations stratégiques avec des chercheurs en dynamique moléculaire, modélisation mécanique et biologie structurale végétale, encourageant ainsi la recherche interdisciplinaire et favorisant les progrès dans la conception de matériaux bio-inspirés et durables.
Bibliographie
Bibliographie
[1] Doineau E., Cathala B., Benezet J. C., Bras J., & Le Moigne N. (2021). Development of bio-inspired hierarchical fibres to tailor the fibre/matrix interphase in (bio) composites. Polymers, 13(5), 804.
[2] Zimmermann E. A., Schaible E., Gludovatz B., Schmidt F. N., Riedel C., Krause M., ... & Busse, B. (2016). Intrinsic mechanical behavior of femoral cortical bone in young, osteoporotic and bisphosphonate-treated individuals in low-and high energy fracture conditions. Scientific reports, 6(1), 21072.
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[4] Banvillet G., Bugaut M., Doineau E., Taguet A., Le Moigne N., and Rojas O.J. (2023). Advances in the Production of Cellulose Nanomaterials and Their Use in Engineering (Bio)Plastics. Springer Nature ed., pp. 333– 393
[5] Li, T., Chen, C., Brozena, A.H. et al. (2021). Developing fibrillated cellulose as a sustainable technological material. Nature, 590, 47–56.
[6] Mohammadpour-Haratbar A., Zare Y., Munir M.T., Rhee K.Y. (2025). Upgrading of a theoretical model for tensile strength of polymer - cellulose nanocrystals system to derive a new equation for interfacial shear strength. Int J Biol Macromol, 319, 145763.
[7] Khoshkava V., Kamal M.R., (2013). Effect of surface energy on dispersion and mechanical properties of polymer/nanocrystalline cellulose nanocomposites, Biomacromolecules, 14, 3155-3163
[8] Lalanne-Tisné M., Mees M.A., Eyley S., Zinck P., Thielemans W. (2020). Organocatalyzed ring opening polymerization of lactide from the surface of cellulose nanofibrils. Carbohydrate Polymers, 250, 116974.
[9] Lalanne-Tisné M., Eyley S., De Winter J., Favrelle-Huret A., Thielemans W., Zinck P. (2022). Cellulose nanocrystals modification by grafting from ring opening polymerization of a cyclic carbonate. Carbohydrate Polymers, 295, 119840.
[10] Arsic L., Le Moigne N., Zinck P., Taguet A. Effet de l’incorporation de renforts de nanocristaux de cellulose fonctionnalisés sur le renforcement mécanique du poly(butylène adipate-co-téréphthalate) Internship (March-May 2023). IMT Mines Alès – Université Lille.
