Le secteur de la construction représente 37 % des émissions de gaz à effet de serre et consomme 30 % de l'énergie produite dans le monde, majoritairement d'origine fossile. L'utilisation de cette énergie se partage entre la phase de construction et celle d'utilisation des bâtiments. L'isolation des bâtiments permet de réduire cette consommation en phase d'emploi en optimisant la gestion du chauffage. Cependant, les matériaux d'isolation traditionnels, comme la mousse polyuréthane giclée, reposent sur des ressources fossiles non renouvelables. Des isolants biosourcés, comme la ouate de cellulose ou la fibre de chanvre, sont des alternatives déjà envisagées, mais les propriétés de ces matériaux ne permettent pas de compenser les performances de la mousse polyuréthane en termes de conductivité thermique, perméance à l'air et à l'humidité notamment. Ce projet de recherche explore la substitution des composés pétrosourcés par des bioressources dans la mousse polyuréthane giclée en s'intéressant aux filaments de cellulose (CFs) produits par l'entreprise Kruger inc. à partir de pâte Kraft blanchie de résineux du Nord, préservant la longueur des filaments produits. La cellulose, le biopolymère le plus abondant dans la nature, offre un potentiel intéressant en raison de ses propriétés mécaniques et thermiques et de sa disponibilité. De plus, elle comporte des fonctions hydroxyles qui la rendent modifiable chimiquement. L'objectif principal de ce projet est donc de développer un isolant giclé pour la construction en bois, en valorisant cette ressource, tout en réduisant l'utilisation de matériaux pétrosourcés et en maintenant les performances des isolants actuels. Le potentiel des CFs en tant que charge dans une mousse polyuréthane a été évalué et les performances ont été comparées aux mousses de référence préparées au laboratoire sans composants biosourcés. Les formulations de mousse ont été ajustées en ajoutant des CFs à différents pourcentages, puis leurs propriétés (viscosité, morphologie, perméabilité à la vapeur d'eau, densité, conductivité thermique et résistance à la compression) ont été étudiées. Les CFs ont eu un impact significatif sur les propriétés de la mousse, notamment sur la taille des cellules et la sorption de vapeur. Les quantités de filaments étudiées (1 %m/m CF, 2.5 %m/m CFs et 5 %m/m CFs) dans la mousse ont permis de respecter les attentes de la norme associée aux mousses polyuréthanes pulvérisées de densité moyenne. Cependant, les résultats conduisent à des améliorations minimes des propriétés sans substitution des composants pétrochimiques. Lorsqu'utilisés en quantités excessives, ici supérieur ou égal à 5 %m/m, les CFs détériorent les propriétés du matériau, ce qui ne permet d'en intégrer qu'une faible proportion *i.e.*, inférieure à 5 %m/m CFs. L'utilisation de la cellulose comme simple charge a montré ses limites et est insuffisante pour réduire l'impact environnemental des mousses de polyuréthane. Il est donc nécessaire de se concentrer sur la substitution des produits à base de pétrole contenus dans les mousses. La modification chimique des CFs pour substituer le polyol pétrosourcé a ensuite été étudiée. Deux méthodes d'éthérification ont été employées (à partir de glycérol dans un cas et de glycidol et éthylène carbonate dans un deuxième cas) pour modifier les CFs, produisant des fonctions réactives et accessibles à partir des groupes hydroxyles pour réagir avec l'isocyanate présent. Les polyols résultants et les mousses de polyuréthane ont été caractérisés. Les mêmes propriétés qu'en première partie ont été étudiées. Les résultats ont montré une réactivité réduite des polyols biosourcés, impactant la taille et l'ouverture des cellules, et entraînant une détérioration des propriétés mécaniques conduisant à une non-conformité aux normes canadiennes sur les mousses polyuréthane. Malgré cela, des résultats prometteurs de conductivité thermique ont été obtenus (à 50 % de substitution avec P1+P2) en restant compétitif face à la conductivité thermique d'isolants conventionnels (laine de roche ou fibre de bois). Enfin, cette étude a permis d'évaluer la modification des CFs comme solution ignifuge durable pour améliorer les performances environnementales de la mousse de polyuréthane et réduire sa toxicité en cas d'incendie. En effet, le retardateur commercial et pétrosourcé actuellement utilisé, le phosphate de tris(1-chloro-2-propyle) phosphate (TCPP) qui est un composé chloré, émet des fumées toxiques pour l'Homme lors d'incendies. Les CFs ont été traités avec des composés à base d'azote et de phosphore pour obtenir des complexes polyélectrolytes (PEC) et des produits couche-par-couche (LbL). La morphologie, les propriétés thermogravimétriques, le comportement au feu et la sorption de la vapeur d'eau ont été caractérisés. Bien que les niveaux d'imprégnation en phosphore (1.5 ± 0.2 % dans le LbL et 0.75 ± 0.01 % dans le PEC) et azote (4.5 ± 0.1 % et 7.5 ± 0.06 %) soient faibles comparé à la littérature (pouvant atteindre 10 %m/m des CFs), les CFs modifiées ont montré des propriétés prometteuses, comparables au retardateur de flamme commercial à quantité de phosphore équivalent, tout en produisant moins de fumée. / The construction sector accounts for 37% of greenhouse gas emissions and consumes 30% of the world's produced energy, predominantly from fossil sources. This energy is divided between the construction phase and the operational phase of buildings. Building insulation helps reduce this consumption during the operational phase by optimizing heating management. However, traditional insulation materials, such as sprayed polyurethane foam, rely on non-renewable fossil resources. Bio-based insulators, like cellulose wadding or hemp fiber, are alternatives that have been considered, but their properties do not match the performance of polyurethane foam, particularly in terms of thermal conductivity, air permeability, and moisture management. This research project investigates the substitution of petroleum-based components with bioresources in sprayed polyurethane foam, focusing on cellulose filaments (CFs) produced by Kruger Inc. from northern bleached softwood Kraft pulp, which preserves the filaments' length. Cellulose, the most abundant biopolymer in nature, offers significant potential due to its mechanical and thermal properties, availability, and modifiable hydroxyl groups. The primary goal of this project is to develop sprayed insulation for wood construction, utilizing this resource while reducing the use of petroleum-based materials and maintaining the performance of current insulators. The potential of CFs as a filler in polyurethane foam was evaluated, and their performance was compared to reference foams without bio-based components. Foam formulations were adjusted by adding CFs at different percentages (1 wt.% CF, 2.5 wt.% CF, and 5 wt.% CF), and their properties (viscosity, morphology, water vapor permeability, density, thermal conductivity, and compressive strength) were studied. CFs significantly impacted foam properties, particularly cell size and vapor sorption. The filament quantities studied in the foam met the medium-density sprayed polyurethane foam standard. However, results led to minimal property improvements without substituting petrochemical components. When used in excessive quantities, here at or above 5 wt.%, CFs deteriorate the material's properties, limiting their integration to a maximum of 5 wt.% CFs. Using cellulose as a simple filler has shown its limits and is insufficient to reduce the environmental impact of polyurethane foams. It is therefore necessary to focus on replacing petroleum-based products within the foams. The chemical modification of CFs to substitute the petroleum-based polyol was subsequently examined. Two etherification methods were employed (from glycerol in one case and from glycidol and ethylene carbonate in another) to modify CFs, producing reactive and accessible functions from hydroxyl groups to react with the present isocyanate. The resulting polyols and polyurethane foams were characterized. The same properties as in the first part of the project were studied. The results showed reduced reactivity of bio-based polyols, impacting cell size and openness, and leading to deteriorated mechanical properties resulting in non-compliance with Canadian polyurethane foam standards. Nevertheless, promising thermal conductivity results were obtained (at 50% substitution with P1+P2), remaining competitive with the thermal conductivity of conventional insulators (rock wool or wood fiber). Finally, this study assessed the modification of CFs as a sustainable flame-retardant solution to improve polyurethane foam's environmental performance and reduce its toxicity in case of fire. The currently used commercial petroleum-based flame retardant, tris(1-chloro-2-propyl) phosphate (TCPP), a chlorinated compound, emits toxic fumes harmful to humans during fires. CFs were treated with nitrogen- and phosphorus-based compounds to create polyelectrolyte complexes (PEC) and layer-by-layer (LbL) products. Morphology, thermogravimetric properties, fire behavior, and water vapor sorption were characterized. Although phosphorus (1.5 ± 0.2% in LbL and 0.75 ± 0.01% in PEC) and nitrogen (4.5 ± 0.1% and 7.5 ± 0.06%) impregnation levels were low compared to the literature (which can reach 10 wt.% of CFs), the modified CFs showed promising properties, comparable to the commercial flame retardant at an equivalent phosphorus amount, while producing less smoke.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / L'enveloppe du bâtiment comprends un enchaînement de matériaux permettant de remplir les fonctions nécessaires pour assurer la durabilité et l'efficacité énergétique des bâtiments. Dans un climat froid comme le Canada, la concentration en vapeur d'eau à l'intérieur des bâtiments est plus élevée que dans l'environnement extérieur, ce qui entraîne une migration de l'humidité à travers le mur du bâtiment. Par conséquent, une membrane devrait être installée dans l'enveloppe du bâtiment pour contrôler la transmission de l'humidité. Les membranes conventionnelles sont principalement des matériaux fossiles qui peuvent avoir plusieurs impacts négatifs sur l'environnement. La présente thèse, divisée en trois axes, a été consacrée au développement de membranes entièrement biosourcées pour l'application de l'enveloppe du bâtiment à partir de biopolymères et de microfibres de cellulose (CMF). Pour améliorer la dispersibilité des CMF dans la matrice polymère, trois méthodes de modification ont été conduites. Le premier axe s'est concentré sur la modification hydrophile des CMF avec du polyéthylène glycol (PEG). Dans le deuxième axe, les CMF ont été modifiées avec de l'acide lactique (LA) via une réaction d'estérification, et l'impact environnemental des membranes développées a été étudié. Enfin, au cours du troisième axe, des membranes pare-vapeur à structure sandwich ont été développées à partir de biopolymères et de CMF modifiées par sol-gel, et leurs propriétés mécaniques et barrières ont été étudiées avant et après vieillissement accéléré. Dans le premier axe, les résultats ont montré que l'utilisation du compatibilisant PEG améliorait la dispersion des fibres de cellulose dans la matrice d'acide polylactique (PLA). L'analyse thermogravimétrique a montré que l'ajout de CMF modifiées augmentait la stabilité thermique des matériaux. De plus, la perméabilité à la vapeur d'eau des membranes à base de PLA développées a été améliorée en ajoutant des CMF modifiées dans la matrice de PLA. Au cours du deuxième axe, des membranes pare-vapeur ont été fabriquées à partir de PLA et de CMF modifiées avec du LA. Les résultats ont indiqué que l'adhérence interfaciale entre les fibres modifiées et le PLA s'est améliorée après la modification. Selon les résultats des tests de traction, les membranes à base de PLA développées ont montré des propriétés mécaniques et des performances de barrière supérieures à celles des composites PLA/CMF non traitées. De plus, l'impact environnemental du composite préparé a été étudié avec un outil d'évaluation de cycle de vie et les résultats ont démontré que l'incorporation de CMF dans le PLA réduisait le potentiel de réchauffement climatique des matériaux. Pour le troisième axe, une membrane à structure sandwich a été réalisée pour une application de pare-vapeur. Dans cette membrane, les couches superficielles sont des feuilles de polyhydroxyalcanoate (PHA) et la couche intermédiaire est un composite à base de PLA renforcé avec des CMF modifiées par sol-gel. Selon les résultats obtenus, les CMF modifiées présentaient un caractère hautement hydrophobe (valeur d'angle de contact d'environ 118 ˚) et elles étaient dispersées de manière homogène dans la matrice PLA. En ce qui concerne les propriétés mécaniques, l'incorporation de fibres dans les composites sandwich a augmenté les valeurs du module d'Young et de résistance à la traction des membranes. La perméabilité à la vapeur d'eau des composites sandwich a augmenté avec l'ajout de fibres de cellulose. Cependant, les composites renforcés avec les CMF modifiées ont montré des performances de barrière supérieures à celles des CMF non traitées. De plus, un test de durabilité a été réalisé pour déterminer l'effet du vieillissement accéléré sur les propriétés des composites sandwich. Les résultats ont démontré que les propriétés mécaniques et barrières des composites incorporés avec des CMF non traitées ont diminué après vieillissement accéléré, alors que les composites renforcés avec des CMF modifiées par sol-gel ont connu le moins de changement. / The building envelope involves a sequence of materials to fulfill the functions necessary for good sustainability and energy efficiency of buildings. In a cold climate like Canada, the water vapor concentration inside buildings is higher than in the exterior environment, leading to moisture flow through the building wall. Therefore, a membrane should be installed in the building envelope to control the transmission of moisture. Conventional membranes are mainly fossil-based materials that can have several negative impacts on the environment. The present thesis, divided into three axes, was dedicated to the development of fully bio-based membranes for building envelope application from biopolymers and cellulose microfibers (CMF). To improve the dispersibility of CMF in the polymer matrix, three modification methods were conducted. The first axis was focused on the hydrophilic modification of CMF with the polyethylene glycol (PEG) compatibilizer. In the second axis, CMF was modified with lactic acid (LA) via an esterification reaction, and the environmental impact of developed membranes was studied. Finally, during the third axis, sandwich-structured vapor barrier membranes were developed from biopolymers and sol-gel modified CMF, and their mechanical and barrier properties were investigated before and after artificial aging. In the first axis, the results showed that the utilization of PEG compatibilizer improved the dispersion of cellulose fibers in the PLA matrix. The thermogravimetric analysis illustrated that the addition of modified CMF increased the thermal stability of materials. Moreover, the water vapor permeability of developed PLA-based membranes was enhanced by adding modified CMF into the PLA matrix. During the second axis, vapor barrier membranes were fabricated from PLA and LA-modified CMF. The results indicated that the interfacial adhesion between modified fibers and PLA improved after the modification. According to the tensile test results, the developed PLA-based membranes showed superior mechanical properties and barrier performance than the PLA/untreated CMF composites. Additionally, the environmental impact of the prepared composite was studied by the life cycle assessment tool, and results demonstrated that the incorporation of CMF into PLA reduced the global warming potential of materials. For the third axis, a sandwich-structured membrane was produced for the vapor barrier application. In this membrane, the surface layers are sheets of polyhydroxyalkanoate (PHA), and the interlayers are PLA-based composites reinforced with sol-gel modified CMF. According to the obtained results, the modified CMF exhibited a highly hydrophobic characteristic (contact angel value of about 118 ˚), and they were homogeneously dispersed in the PLA matrix. Regarding the mechanical properties, the incorporation of bio-fillers into sandwich composites increased the values of tensile modulus and strength of membranes. The water vapor permeability of sandwich composites increased with the addition of cellulose fibers; however, the composites reinforced with the modified CMF showed superior barrier performance than that of untreated CMF. In addition, a durability test was performed to determine the effect of artificial aging on the properties of sandwich composites. The results demonstrated that the mechanical and barrier properties of composites incorporated with untreated CMF decreased after the artificial aging, whereas the composites reinforced with the sol-gel modified CMF experienced the slightest change.