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Theses Year : 2010

Evaluation of physical and physico-chemical parameters influencing cellulose accessibility

Evaluation des paramètres physiques et physico-chimiques qui influencent l'accessibilité de la cellulose

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Abstract

Cellulose, a bio-polymer belonging to polysaccharides family, has been for years the research topic of many studies having the purpose to better control its modification and processing. Since it is not melting below its degradation temperature, cellulose needs to go through a step of dissolution in order to be processed. However, the processes used today are not fully optimized resulting in a loss of material or final product quality. This limitation is partly due to its complex structure which makes cellulose chains difficult to be accessed to reactants. The scientific scope of our work was to analyse and try to understand some of the parameters that can have an influence on cellulose accessibility: wet state, application of an elongational mechanical stress, irradiation. We showed that the porous structure of cellulose is an important parameter to consider in its accessibility. Thus, in presence of a poor solvent such as water-NaOH cellulose, fibres show better accessibility in the never dried state compared with fibres in the dried state, due to a more open structure of fibres. The porosity was also shown to be an important factor controlling the hornification mechanism, as shown when studying model cellulose surfaces. We were able to show that the existence of a microporosity linked to the viscose process was the main inhibiting parameter preventing two opposite walls of a collapsing pore during drying to be irreversibly glued. Micropores generate a high rugosity that is preventing the formation of a tight array of hydrogen bonds. Finally, we showed that another factor to consider in the chemical modification of cellulose is the need for chain to be mobile enough to reach a high range of steric conformations.
La cellulose, bio-polymère de la famille des polysaccharides, fait depuis des années l'objet de nombreuses études de recherches visant une meilleure maîtrise de sa modification et de sa mise en forme. N'étant pas fusible en dessous de sa température de dégradation, la cellulose nécessite une mise en forme par dissolution. Pourtant, les procédés utilisés aujourd'hui pour sa mise en forme ne sont pas toujours bien optimisés entraînant une perte de matière ou des qualités du produit final qui ne sont pas toujours celles visées par l'industrie. Cette limitation est en partie due à sa structure complexe qui rend les chaînes de la cellulose difficilement accessibles. L'objectif scientifique de notre travail était d'analyser et essayer de comprendre certains des paramètres qui peuvent avoir une influence sur l'accessibilité de la cellulose: état humide, application d'une tension mécanique uniaxiale, irradiation. Nous avons montré que la structure poreuse de la cellulose est un facteur important à prendre en compte dans son accessibilité. Ainsi, en présence d'un mauvais solvant comme le NaOHeau les fibres de cellulose montrent une meilleure accessibilité dans l'état jamais séché en comparaison avec les fibres à l'état séché, en raison d'une structure plus ouverte des fibres. La porosité a également été mise en évidence lors du séchage et re-humidification des surfaces modèles où nous avons mis en évidence le rôle des microporosités dans la reprise en eau. Ceci nous a permis de déduire que la faible hornification observée sur les produits régénérés à partir du procédé viscose est due à l'existence de microporosités à la surface de macroporosités qui ne permettent pas le contact entre les parois des pores lors de leur fermeture pendant le séchage, limitant fortement la capacité à créer des liaisons hydrogène irréversibles. Nous avons également montré qu'un facteur à prendre en compte lorsque l'on veut effectuer une modification chimique de la cellulose est le besoin que les chaînes soient suffisamment mobiles pour accéder à un éventail de conformations spécifiques.
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Dates and versions

pastel-00612881 , version 1 (01-08-2011)

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  • HAL Id : pastel-00612881 , version 1

Cite

Monica Spinu. Evaluation des paramètres physiques et physico-chimiques qui influencent l'accessibilité de la cellulose. Matériaux. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2010. Français. ⟨NNT : 2010ENMP0070⟩. ⟨pastel-00612881⟩
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