Reproduction de : Thèse de doctorat : Physico-chimie : Reims : 2005. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. f. 205-210.

Dans un contexte de développement durable, des matériaux thermoplastiques multiphasés biosourcés issus de dimères d’acides gras ont été élaborés pour développer une « eco-membrane » durable pour le bâtiment. Différentes formulations intégrant des polymères thermoplastiques biosourcés, polyuréthane thermoplastique (TPU) et polyamide (DAPA), des micro-charges minérales et des renforts cellulosiques ont été élaborées et analysées. Les relations « structures-propriétés » de ces systèmes multiphasés ont été étudiées. Les architectures macromoléculaires proches ont permis d’obtenir un certain degré de compatibilité entre les polymères. Les viscosités à l’état fondu du TPU et DAPA sont comparables, ce qui permet une bonne dispersion des phases du mélange lors de la mise en œuvre. Les propriétés mécaniques et la stabilité dimensionnelle des mélanges sont améliorées par ajout de micro-charges minérales. L’impact du facteur de forme des charges sur le module d’Young a été analysé et modélisé avec un modèle micro-mécanique. Des essais du type charge-décharge ont également été menés afin d’étudier le comportement à la fatigue des biocomposites. Enfin, les interactions et les affinités entre les renforts et polymères ont été approchées. Des modifications chimiques ont été développées à la surface des fibres afin de diminuer leurs caractères hydrophiles et d’améliorer la compatibilisation avec la matrice. L’impact de ces modifications sur l’interface fibres-matrice a ensuite été analysé. Les différentes études réalisées ont permis de sélectionner pas à pas les différents constituants de l’éco-membrane pour réaliser in fine un prototype prometteur. / In the context of sustainable development, renewable multiphase systems from thermoplastics based on dimers of fatty acids were prepared to develop a renewable waterproofing material for building applications. Formulations based on thermoplastics, i.e. thermoplastic polyurethane (TPU) and polyamide (DAPA), mineral micro-fillers and cellulosic fibers were prepared with a special focus on the morphology-property relationships of the multiphase systems obtained thereof. The close macromolecular architectures promote a certain degree of compatibility between the polymers. Comparable viscosities in the melt state ensure a good dispersion of the matrices within each other during processing. The mechanical properties and dimensional stability were improved with micro-fillers. The effect of the aspect ratio of the fillers on the elastic properties was investigated and micro-mechanical modelling of the Young’s Modulus was performed. The fatigue behavior of the biocomposites was also examined through loading and unloading tests. Finally, interactions and affinities between the fibers and polymers were characterized. Chemical modifications were carried out on the surface of the fibers to decrease their hydrophilic nature and improve the fiber-matrix adhesion. The effect of the chemical modification was then investigated. Step-by-step, the studies carried out ensured the selection of the optimal components for a renewable waterproofing material enabling the production of a promising prototype.

Au cours de ce travail, le taux d’extractibles de cinq essences camerounaises a été évalué par la technique d’extraction accélérée ASE 200 et au Soxhlet. Le taux d’extractibles varie de 4,4 à 17,7%. Le screening des extraits a révélé la présence de polyphénols, de saponines, de flavonoïdes, de stérols et de terpènes. Les phénols totaux contenus dans les extraits ont été évalués par la méthode de Folin–Ciocalteu en utilisant l’acide gallique comme standard. La teneur varie de 16,5 à 165,83 mg éq acide gallique / g d’extrait. Le dosage des tannins condensés par la méthode colorimétrique a permis de montrer que ces derniers varient de 0,15 à 23,61 g cyanidin équivalents / 100 g de matière sèche. L’identification des composés contenus dans les extraits par GC-MS a permis d’identifier de l’homopterocarpine et de la pterocarpine dans les extraits de padouk. Les extraits de tali contiennent de la catéchine, l’acide gallique et du pyrogallole. L’acide gallique, le squalène et les triterpènes sont les composés majoritairement identifiés dans les extraits de movingui. La durabilité naturelle des bois a été évaluée par la norme européenne EN 350-1, 1994. Il ressort que les pertes de masse deviennent plus importantes lorsque les éprouvettes de bois ont été extraites. La perte de masse des éprouvettes non extraites varie de 0,1 à 59% (le hêtre a été pris comme référence). Les essais d’inhibition de croissances sur les champignons de pourriture ont montré qu’à des concentrations de 250 ppm, nos extraits étaient fongistatiques et qu’à des concentrations de 500 ppm certains extrait étaient fongicides (extrait de tali). L’évaluation des propriétés antioxydante et colorante des extraits pour envisager de potentielles applications industrielles a été effectuée. Le pouvoir antioxydant des extraits a été évalué par la méthode d’inhibition du linoléate de méthyle induite par l’azobisisobutyronitrile (AIBN). Les résultats obtenus sont satisfaisants car l’activité antioxydante varie de 10 à 86%. Le pouvoir anti-radicalaire des extraits a été évalué en utilisant le radical 2,2-diphényl-1-picrylhydrazyl (DPPH.). Les concentrations nécessaires pour consommer 50% du radical varie de 2,7 à 60,5 mg/L. La capacité des extraits aqueux et alcalins à teindre les fibres naturelles et artificielles a été évaluée. La mesure de la coloration prise par les fibres s’est faite à l’aide d’un colorimètre Datacolor D65°10. Les résultats montrent que ces extraits donnent une coloration jaune avec les extraits de movingui et une coloration rouge avec les extraits de padouk. L’utilisation des extraits pour inhiber la croissance bactérienne a montré que les extraits étaient bactériostatiques pour les concentrations testées / In this work, the accelerated technical ASE 200 and Soxhelet was used to evaluate the amount of extractives contained in five Cameroonian wood species. The amount of extractives ranged from 4.4 to 17.7% with respect to oven-dry matter. Phytochemical screening of the extractives revealed the presence of polyphenols, saponins, flavonoïds, sterols and terpenes. The total phenolic content of the extracts was measured by the Folin-Ciocalteu method using gallic acid as standard. The phenolic content ranged from 16.5 to 165.83 mg eq gallic acid/g of extract. The condensed tannins, evaluated by colorimetric method, ranged from 0.15 to 23.61 g cyanidin equivalents/100 g of dry matter. GC-MS identified the homopterocarpine and pterocarpin as major compound in extracts of padouk. Catechin, gallic acid and pyrogallole were the major compounds found in the extracts of tali. Extracts of movingui consisted mainly of diterpenes and several compounds not readily identifiable. Gallic acid, squalene and triterpenes were the predominant compounds identified in the extracts of movingui. The natural durability of wood was evaluated using the European Standard EN 350-1. Mass losses increased when the wood samples were extracted. Mass losses of non-extracted samples ranged from 0.1 to 59% (with beech taken as a reference). The effect of extractives on fungal growth showed that at 250 ppm concentrations, the extracts were fungistatic and that at 500 ppm concentrations, the extracts of tali were fungicidal.Valorization of the extractives in the food and the textile industries was attempted. In food, the antioxidant activity of the extracts by inhibition of methyl linoleate induced by AIBN was evaluated. The results obtained were satisfactory because all the extracts showed antioxidant activity which varied from 10 to 86%. Then the anti-radical capacity of our extracts was assessed by the DPPH method. The concentration necessary to consume 50% of DPPH varied from 2.7 to 60.5 mg/L. Aqueous and alkaline extracts were used to dye natural and artificial fibers. The coloration taken by the fibers was measured using a Datacolor D65°10 apparatus. These extracts gave a yellow color with extracts of movingui and a red color with extracts of padouk. The effect of extractives on bacteria growth showed that the extracts were bacteriostatic at the tests concentrations

L’objectif de ce projet est d’évaluer le potentiel d’un nouveau matériau, la fibre d’asclépiade, pour le comblement des défauts osseux chez des patients souffrant de lésions osseuses. Cette fibre cellulosique est extraite des gousses de l’Asclepias syrica L., une plante herbacée d’Amérique du Nord. Sa structure tridimensionnelle micro-fibrillaire constitue un avantage pour son utilisation en tant qu’échafaudage cellulaire car elle permettrait d’accueillir des cellules tout en transportant les nutriments nécessaires. Dans un premier temps, une caractérisation physico-chimique de cette fibre a été effectuée. Puis, une modification du matériau a été réalisée par plasma afin de favoriser sa mouillabilité mais aussi sa biodégradation. La dernière étape consiste à évaluer le potentiel de cette fibre fonctionnalisée à améliorer l’adhésion et la différenciation des cellules souches mésenchymateuses en cellules osseuses. / The objective of this project is to evaluate the potential of a new material, milkweed fiber, for filling bone defects in patients with bone lesions. This cellulosic fiber is extracted from the pods of Asclepias syrica L., an herbaceous plant of North America. Its three-dimensional micro-fibrillar structure is an advantage for its use as a cellular scaffold because it would accommodate cells while carrying the necessary nutrients. At first, a physicochemical characterization of this fiber was carried out. Then, a modification of the material was carried out by plasma in order to promote its wettability but also its biodegradation. The final step is to evaluate the potential of this functionalized fiber to improve the adhesion and differentiation of mesenchymal stem cells into bone cells.

Les pâtes à dissoudre, composées à 95% de cellulose, sont la matière première pour la production de fibres cellulosiques régénérées (viscose, Lyocell…) et de dérivés cellulosiques (ester, éther ou nitrate de cellulose). En tant qu’alternative aux matériaux issus de ressources pétrolières, ces produits connaissent actuellement un fort regain d’intérêt. Ainsi, la production de pâte à dissoudre devrait croître fortement au cours de la prochaine décennie. L’objectif de cette thèse est de proposer des procédés de conversion d’une pâte papetière de résineux en pâte à dissoudre. Pour cela les hémicelluloses présentes dans les pâtes kraft papetières doivent être extraites. Trois méthodes d’extraction d’hémicelluloses ont ainsi été étudiées : (1) une extraction alcaline à froid (CCE) dans des conditions non conventionnelles, (2) un procédé se divisant en deux étapes successives : un stade acide à haute température (150°C) suivie d’une extraction alcaline à chaud (AHCE) et (3) une hydrolyse enzymatique par trois enzymes commerciales (une xylanase, une mannanase, une cellulase). Les deux premières méthodes ont permis de produire des pâtes avec des caractéristiques proches des pâtes à dissoudre commerciales. Cependant, dans les trois voies d’extraction étudiées, l’extraction d’hémicelluloses n’a jamais atteint 100%. Des prétraitements des pâtes (raffinage, explosion à la vapeur, oxydation TEMPO) ont alors été testés pour améliorer l’extraction des hémicelluloses. De nouvelles séquences de purification basées sur la combinaison d’une étape de raffinage suivie d’une extraction alcaline à froid (CCE) peuvent être ainsi imaginées. La dernière partie de ces travaux de thèse s’est intéressée au gonflement des pâtes à dissoudre. Les travaux ont abouti à la création d’une nouvelle méthode simple et rapide de caractérisation du gonflement des fibres de pâte cellulosique. Cette méthode de mesure peut être, dans certaines conditions, considérée comme une mesure alternative de la réactivité des pâtes à dissoudre habituellement caractérisée par le test Fock. / Dissolving pulps, which are composed of 95% cellulose, are the raw materials for the production of regenerated cellulose fibres for textile application and for the production of cellulose derivatives. These products are alternatives to oil based materials. A growing demand in such products is expected in the next decades. Therefore, additional capacities in the production of wood dissolving pulp must be created. The purpose of this work is to develop hemicellulose removal processes with the aim to convert a softwood kraft paper pulp into a dissolving pulp. Three extraction methods were tested: (1) A cold caustic extraction process (CCE) performed under conventional and unconventional conditions; (2) A process consisting in an acid stage at high temperature (up to 150°C) followed by a hot caustic extraction (A-HCE); (3) An enzymatic hydrolysis using xylanase, mannanase, and cellulase. Conversion was quite successful with the two first processes. However, 100% of hemicellulose removal was never reached. In order to improve the hemicellulose extraction efficiency, several pre-treatments were tested (refining, steam explosion, TEMPO oxidation). The addition of a refining stage allows a reduction of the NaOH concentration during CCE extraction without affecting the hemicellulose extraction efficiency. The last part of this thesis work focus on the dissolving pulp swelling. A new and rapid test for the characterization of fibre swelling was developed. This method was used as an approach to the assessment of dissolving pulp reactivity in the viscose process in place of the Fock’s method.

Les papiers récupérés sont de plus en plus utilisés pour fabriquer du papier recyclé de haute blancheur. La ligne de recyclage inclut entre autres les opérations de désencrage et de blanchiment, le peroxyde d’hydrogène (H2O2) étant le réactif blanchissant le plus utilisé en milieu alcalin (stade P). Son efficacité est toutefois limitée car il est peu ou moyennement réactif sur les fonctions azoïques des colorants papetiers. L’objectif de cette étude était donc d’améliorer l’élimination des colorants azoïques lors d’un stade P.L'amélioration du stade P utilisé en délignification des pâtes chimiques a fait l’objet de nombreuses études. En particulier, l’activation ou la catalyse de H2O2 par des complexes cuivre(II)-phénanthroline (Cu-Phen) présentant des résultats très intéressants, des essais de blanchiment de pâtes désencrées et colorées ont été entrepris. Le système H2O2/Cu-Phen s’est également révélé efficace en décoloration, mais le mécanisme n’avait alors pas été étudié.L’objectif de ce travail était donc de déterminer dans quel cas et pourquoi le complexe cuivre(II)-phénanthroline était capable d’améliorer la décoloration de fibres cellulosiques colorées. Trois questions intermédiaires se sont posées : (1) quel effet Cu-Phen a-t-il sur le colorant isolé? (2) la décoloration d’une pâte de fibres colorées par H2O2 est-elle améliorée par Cu-Phen? (3) par quel mécanisme la décoloration est-elle rendue plus efficace?Le travail a donc été organisé en trois études : (1) caractérisation des colorants sélectionnés et du complexe en l’absence d’oxydant et examen des interactions entre les deux, (2) étude et optimisation paramétrique de H2O2/Cu-Phen pour la décoloration de pâtes colorées, (3) étude du mécanisme d’oxydation en milieu aqueux, en l’absence et en présence de cellulose.Ce travail s’est appuyé sur de nombreuses techniques analytiques (spectroscopies RMN, FTIR, UV-vis et RPE ; ESI-MS) et des calculs de spéciation. Il a prouvé que le complexe Cu-Phen en présence de H2O2 améliorait la décoloration de colorants azoïques, avec ou sans fibres cellulosiques. Il a été mis en évidence que la phénanthroline agissait comme un stabilisant permettant d’ajuster la solubilité, la stabilité et le potentiel d’oxydo-réduction du cuivre(II), mais qu’elle n’était pas indispensable. De plus, le pH du milieu est également un paramètre clé, jouant à la fois sur l’activité du complexe et sur ses interactions avec le substrat. Le substrat (colorant mais aussi cellulose) s’est trouvé fortement dégradé par ce système H2O2/Cu-Phen. Les résultats corroborent l’hypothèse de l’oxydation du substrat par les radicaux hydroxyles issus de la décomposition de H2O2, plutôt que par H2O2 lui-même, ce mécanisme étant l’une des étapes d’un cycle catalytique.La recherche menée et les résultats obtenus sont applicables non seulement à l’amélioration du blanchiment des pâtes désencrées, mais aussi au traitement d’effluents colorés dans les industries du papier et du textile. / Today, recovered papers are reused for the manufacture of bright paper after deinking and fiber bleaching, which generally starts with an alkaline hydrogen peroxide stage (H2O2). However, the efficiency of H2O2 is often limited due to its low reactivity on the azo groups of paper dyes contained in recovered papers. The goal of this study was to improve the removal of these azo dyes by H2O2.The improvement of H2O2 bleaching has been studied thoroughly in the context of chemical pulp delignification. In particular, the activation or catalysis of H2O2 by copper(II)-phenanthroline complexes (Cu-Phen) was found to be very effective. This inspired a preliminary bleaching study on deinked pulp and dyed pulp, and resulted in significant improvement of dye removal, which gave birth to our project.The purpose of this work was to determine to what extent copper(II)-phenanthroline could improve the hydrogen peroxide color-stripping of dyed cellulosic fibers, and how. To answer this question, three intermediate issues were addressed: (1) does Cu-Phen alone have an effect on the dye? (2) does Cu-Phen improve the color-stripping of a dyed pulp by H2O2? (3) how does the H2O2/Cu-Phen system enhance the dye-color-stripping efficiency?This work was thus divided into three studies: (1) the selected dyes and the complex were characterized in the absence of any oxidant and the interactions between the two were examined, (2) the H2O2/Cu-Phen system was applied on two dyed pulps to assess their color-stripping potential and to attempt to optimize it, and (3) the oxidation mechanism was investigated via trials in aqueous solution, with and without cellulose.Using several analytical techniques (NMR, FTIR, UV-vis and EPR spectroscopy; ESI-MS) and speciation calculations, this work proved that the Cu-Phen complex enhanced H2O2 for the color-stripping of azo dyes, with and without fibers. It also provided evidence that phenanthroline acted as a stabilizer to adjust the solubility, stability and redox potential of copper(II), but may not be indispensable. The substrate (dyes but also cellulose) was strongly degraded by the H2O2/Cu-Phen system. The results of the mechanistic study supported the hypothesis of substrate oxidation by radicals produced via decomposition of H2O2 rather than by hydrogen peroxide itself. This mechanism, strongly dependent on the pH, is probably part of a catalytic cycle.Finally, along with further research proposed based on our conclusions, this thesis should contribute to the improvement of deinked pulp bleaching as well as wastewater treatment in the pulp and textile industries.

Le renouveau des biocarburants pourrait être aussi celui de l’industrie chimique de la pâte àpapier, en diversifiant l’éventail des produits fabriqués à partir de bois. Cette étude porte surl’intégration d’une extraction des hémicelluloses du bois au procédé Kraft dans le cadre d’une coproductionde fibres cellulosiques et de bioéthanol.Le travail expérimental de cette étude balaie l’ensemble du procédé depuis l’extraction de plus dela moitié des hémicelluloses de bois de résineux, par autohydrolyse ou par hydrolyse à l’acidedilué, jusqu’à la production de fibres cellulosiques blanchies et d’éthanol obtenu par la fermentationdes hydrolysats.Les pâtes de bois préhydrolysé se sont distinguées par de très bonnes aptitudes à ladélignification lors de la cuisson Kraft et lors du blanchiment à l’oxygène. Une analyse desconstituants des pâtes de bois préhydrolysé a permis de comprendre pourquoi la préhydrolyseconduit à une diminution du rendement de cuisson (perte de lignine et de la totalité deshémicelluloses dont les xylanes). L’analyse des lignines de pâtes écrues de bois préhydrolysé apermis d’émettre une hypothèse quant à l’excellente aptitude de ces pâtes à la délignification lorsdu blanchiment à l’oxygène.En définitive, l’intégration d’une extraction des hémicelluloses à une usine Kraft telle qu’elle estproposée par cette étude permet d’obtenir à partir de 100 kg de bois de résineux, 27 à 36kilogrammes de fibres cellulosiques blanchies et jusqu’à 6 litres de bioéthanol. Ces fibrescellulosiques blanchies présentent des caractéristiques attrayantes pour la production de cellulose àusage chimique ou de nanocristaux de cellulose. / Biofuel revival could be a great opportunity for the chemical pulp industry to widen the range ofits products made from wood. This thesis deals with the integration of a softwood hemicelluloseextraction step prior to the Kraft pulping process in order to produce both cellulose fibres andbioethanol.In this study the experimental work covers the entirety of the process: from the extraction ofmore than half of the hemicelluloses from wood either by autohydrolysis or dilute acid hydrolysis tothe production of bleached cellulosic fibres as well as ethanol from fermentated wood hydrolyzates.Prehydrolyzed wood and their subsequent pulps stood out by their excellent delignification abilityduring Kraft cooking and oxygen bleaching. Quantitative analysis of the main constituants of thepulps showed why prehydrolysis leads to decreased Kraft pulp yields (extra lignin loss andhemicelluloses loss including xylans). A range of hypotheses to explain the good delignificationability of prehydrolyzed wood Kraft pulps during oxygen bleaching was narrowed to one by Kraftlignin analysis.The overall results of the hemicellulose extraction prior to Kraft pulping as it has been defined inthis study showed that from 100 kg of softwood, 27 to 36 kg of bleached cellulosic fibres and 6litres of ethanol could be produced. The bleached cellulosic fibres are of great interest for dissolvingpulp or cellulose nanocrystals production.

L’objectif de ce travail est d’étudier les couplages entre les propriétés hygroélastiques des papierset leur microstructure. L’exploitation d’images de papiers modèles acquises par microtomographieà rayons X a permis de caractériser de manière inédite l’évolution des propriétésmicrostructurales de ces matériaux en fonction de leurs conditions d’élaboration ainsique lors d’essais où ils ont été placés sous atmosphère à humidité relative contrôlée.Ces résultats constituent un apport nouveau pour la connaissance de la nature statistique desdescripteurs des propriétés des fibres (dimensions et orientation) et de leurs contacts (surface,degré de liaison), de l’architecture des réseaux fibreux que forment les papiers (nombrede contacts entre fibre) et pour la taille des volumes élémentaires représentatifs des propriétésmicrostructurales et élastiques de ces milieux. Sur la base de ces informations, différentsmodèles, plus oumoins raffinés, ont été élaborés dans le cadre de la théorie de l’homogénéisationdes structures périodiques discrètes, pour décrire les propriétésmécaniques des papiers.Cette approche apporte un éclairage nouveau sur le rôle des liaisons entre fibres sur leur comportement mécanique. / The objective of this work is to study the coupling between the hygroelastic properties ofpapers and their microstructure. The use of images of models acquired by X-ray microtomographypapers allowed the characterization in an unprecedentedmanner of the evolutionofmicrostructural properties of thesematerials according to their production conditions andduring tests where they were placed in atmosphere at controlled relative humidity. These resultsprovide a new contribution to the knowledge of the statistical nature of the descriptorsof fibre properties (size and orientation) and their contacts (surface, bonding degree ratio), ofthe architecture of fibrous networks that papers constitute (number of fibre-to-fibre bonds)as well as of the size of the representative elementary volumes of microstructural and elasticproperties. Based on this information, various models, more or less sophisticated, were developedin the framework of the theory of homogenisation of discrete periodic structures todescribe the mechanical properties of paper. This approach sheds new light on the role offibre-to-fibre bonds on themechanical behaviour of thesematerials.