Thèses (M.Sc.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2001. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Th. 3e cycle--Nutr., sci. de l'aliment., biol. appl.--Nancy--I.N.P.L., 1979.

Thèse de doctorat : Sciences du Bois : Nancy 1 : 2009. Thèse de doctorat : Sciences du Bois : Nanjing Forestry University : 2009. / Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran-titre.

L’étude de la pyrolyse de composés lignocellulosiques s’avère importante pour une meilleure compréhension des procédés de conversion thermochimiques de la biomasse. L’étude expérimentale de la pyrolyse de cellulose révèle que le rendement en résidu solide carboné dépend aussi bien des paramètres opératoires utilisés que des caractéristiques géométriques de l’échantillon. Ces résultats expérimentaux sont élargis à des matériaux naturels, et notamment la lignine et l’hémicellulose. Cette étude est complétée en identifiant les phénomènes thermiques intervenant lors de ce processus par analyse thermique différentielle des constituants de la biomasse. L’ensemble de ces résultats permet d’effectuer une modélisation de ce processus prédisant le profil de température ainsi que la conversion de la réaction de pyrolyse d’un échantillon cylindrique de bois naturel (hêtre, chêne). Enfin, un exemple de valorisation du matériau pyrolysé, à savoir la production de charbons actifs est présentée. / A study of pyrolysis of lignocellulosic materials is of crucial interest in a better understanding of the thermochemical conversion process of biomass. Experimental study of the pyrolysis of cellulose reveals that the yield of the carbon solid residue depends as well as operating conditions than the geometric characteristics of the sample. These results have been widened to natural materials, such as lignin and hemicellulose. This study has been completed by identifying the different thermal phenomenas occurring during this process by differential thermal analysis of the main components of biomass. All these results allow us to carry out a mathematical model of the process predicting the temperature profile and the conversion of the pyrolysis of a cylindrical wood sample. Finally, a valorisation’s example of the pyrolysed material, in the form of the production of activated carbons is presented.

Titre de l'écran-titre (visionné le 7 août 2023) / Le bois est un matériau d'origine naturelle, renouvelable et largement utilisé dans l'industrie de la construction et de la fabrication de meubles. Toutefois, seulement une fraction des troncs d'arbres est utilisée pour le bois d'œuvre ce qui entraîne un gaspillage important de cette ressource. Ainsi, ce projet vise à revaloriser les sous-produits de l'industrie du bois en utilisant cette ressource pour synthétiser des fibres de carbone (FC). La FC est connue comme étant une des fibres les plus résistantes au monde tout en étant extrêmement légère. Ainsi, cette fibre est très utilisée dans le renfort des matériaux. Cependant, la FC est actuellement synthétisée à partir d'une molécule issue du pétrole, ce qui pose non seulement un problème écologique, mais aussi économique car ceci la rend onéreuse. L'objectif général de cette thèse est donc d'utiliser la lignine isolée par le procédé Organosolv catalysé au chlorure de fer III (FeCl₃) du bois d'épinette noire afin de la transformer en fibre de carbone. Pour cela, trois axes de recherche ont été définis afin d'isoler, de filer et de carboniser la lignine Organosolv de l'épinette noire. Dans un premier temps, la méthode d'isolement par le procédé Organosolv catalytisé au FeCl₃ a été sélectionnée et optimisée pour isoler la lignine du bois de l'épinette noire (Picea mariana). Ce procédé a permis d'isoler une lignine pure, peu dégradée et sans soufre. Actuellement, les procédés Organosolv sont principalement utilisés pour isoler la lignine à partir du bois de feuillus. Afin d'augmenter la ressource disponible, nous avons adapté ce procédé à base d'éthanol et d'eau à une essence de résineux (l'épinette noire) et avons obtenu une lignine de très haute pureté (supérieure à 97 %) et peu dégradée avec un rendement supérieur à 70 %. Après une caractérisation complète, la lignine a été transformée en fibre via l'électrofilage à partir d'une solution en DMF concentrée à 57 %m en lignine qui permet d'obtenir des fibres avec un diamètre nanométrique. Les nombreux paramètres étant difficile à maîtriser, l'optimisation de ce procédé fut l'objet du second axe de recherche. Les résultats ont montré non seulement la faisabilité de l'électrofilage de lignine Organosolv de résineux sans ajout de polymère, mais également que l'ajout de 2 %m FeCl₃ dans la solution de lignine-DMF permettait de diminuer le diamètre minimum des fibres de 400 à 200 nm, ainsi que d'augmenter le rendement de la production par l'augmentation du débit de 0,4 à 0,7 mL/h. Enfin, le troisième axe a porté sur la stabilisation des fibres avec et sans FeCl₃. Il a été démontré que l'ajout de 2 %m de FeCl₃ permettait d'améliorer les propriétés thermiques des fibres de lignine lors de la stabilisation. Les fibres stabilisées ont ensuite été carbonisées pour l'obtention de fibres de carbone (FC). La synthèse de fibres de carbone à partir de lignine Organosolv pure de résineux n'avait jamais été réalisée dans la littérature jusqu'à présent. D'après les résultats, la carbonisation à une vitesse de chauffe de 10 °C/min permet d'éviter la pyrolyse des fibres, tandis que l'ajout de FeCl₃ génère une porosité aux fibres. Cette observation est intéressante car cela signifie que le FeCl₃ permet d'augmenter drastiquement la surface d'échange des fibres. La pureté et la faible dégradation de la lignine obtenue, le faible diamètre des fibres ainsi que l'ajout du FeCl₃ pour les traitements thermiques ont été les trois conditions mises en avant pour l'obtention de la FC à partir de la lignine Organosolv du bois d'épinette noire, avec des propriétés améliorées par rapport à celles rapportées jusqu'à maintenant dans la littérature avec d'autres conditions. Les résultats de cette thèse ont permis de mettre en évidence la versatilité du procédé Organosolv catalysé au FeCl₃ en permettant d'isoler une lignine de haute pureté et à un rendement élevé à partir de copeaux issus d'un bois résineux. Les résultats obtenus dans cette recherche ont aussi montré la faisabilité de l'électrofilage de la lignine de résineux sans ajout de polymère, ce qui n'avait jamais été rapporté jusqu'à présent. Enfin, ce projet ouvre la voie à de nouvelles recherches concernant l'usage de FeCl₃ pour l'électrofilage de la lignine, ainsi que pour la stabilisation et la carbonisation des fibres de lignine dans le processus de fabrication des fibres de carbone. / Wood is a natural and renewable material. It is used extensively for construction and furniture for example. However, only a fraction of the tree trunks is used for lumber, and this represents a waste of this resource. Thus, this project aims to valorise the by-products of the wood industry, using this resource to synthesize carbon fiber (CF). CF is known as one of the strongest and lightest fibers in the world. Thus, CF is widely used in the reinforcement of materials. However, CF is currently synthesized from a petroleum derived molecule which poses not only an ecological problem, but also an economical one because it is very expensive. The general objective of this thesis is to use the lignin extracted by the Organosolv process catalyzed by iron III chloride (FeCl₃) from black spruce to transform it into carbon fiber. To this end, three research axes have been defined to isolate, spin and carbonize the Organosolv lignin from black spruce. First, an extraction method (Organosolv process) was selected and optimized to isolate the lignin from the wood of black spruce (Picea mariana). This process allows to isolate pure lignin with low degradation without sulfur. Currently, this process is mainly used to isolate lignin from hardwoods. In order to increase the available resource, we have adapted this ethanol and water-based process to a softwood species (black spruce) and obtained a very high purity lignin (higher than 97 %) and low degradation with a yield higher than 70 %. After a complete characterization, the lignin was transformed into fiber via electrospinning which allows to obtain fibers with a nanometric diameter. The numerous parameters being difficult to control, the optimization of this process was the object of the second research axis. The results showed not only the feasibility of electrospinning softwood lignin without polymer addition, but also that the addition of 2 wt. % FeCl₃ in the lignin-DMF solution allowed to decrease the minimum fibers diameter from 400 to 200 nm, as well as to increase the production yield by increasing the flow rate from 0.4 to 0.7 mL/h. Finally, the third axis focused on the stabilization of the fibers with and without FeCl₃ and showed that FeCl₃ improved the thermal properties of lignin fibers during stabilization. The stabilized fibers were then carbonized to obtain carbon fibers. The synthesis of carbon fibers from pure Organosolv lignin of softwoods had never been reported previously in the literature until now. According to the results, carbonization at the rate of 10 °C/min avoids pyrolysis of the fibers, while the addition of FeCl₃ creates porosity in the fibers. This observation is interesting because it means that FeCl₃ drastically increases the exchange surface of the fibers. The purity and low degradation of the obtained lignin, the small diameter of the fibers, as well as the addition of FeCl₃ for the thermal treatments were the three conditions put forward to obtain biosourced CF with properties higher than those obtained until now in the literature with different conditions. The results of this thesis highlighted the versatility of the FeCl₃-catalyzed Organosolv process in isolating high purity lignin and high yield from softwood chips. The results also showed the feasibility of electrospinning the organosolv softwood lignin without polymer addition, which had never been reported before. Finally, this project opens the way for further research on the use of FeCl₃ for lignin electrospinning as well as for the stabilization and carbonization of lignin fibers in the carbon fiber manufacturing process.

Le cadre industriel de ce projet est de trouver une alternative à la résine phénol-formaldéhyde (RFP) et à son durcisseur, utilisée actuellement en pneumatique pour améliorer les performances aussi bien des compositions de caoutchouc que celles des produits semi-finis. Un des aspects essentiels de la pneumatique est d’augmenter la rigidité à faible déformation des pneus sans augmenter l'hystérésis des élastomères durcis chargés de noir de carbone. Ainsi, l'objectif de ce travail de thèse est de proposer un système thermodurcissable alternatif aux résines RFP actuelles. Ce nouveau système doit être riche en carbone renouvelable et doit être chimiquement modifié au moyen de procédés écologiques. La lignine a été choisie comme source de carbone renouvelable. Une étude préliminaire a souligné les potentialités d'une classe de lignines époxy pour l'application visée. Notre approche consiste en la conception de lignines modifiées par des époxy par une méthode originale évitant l'utilisation de l'épichlorhydrine suivie de son durcissement par des agents de réticulation appropriés. Des tests préliminaires avec un composé modèle de lignine ont donné la gamme des composés époxy et les conditions à tester pour la réaction avec la lignine. Les expériences avec la lignine ont alors confirmé le potentiel de l’ester diglycidylique de l’acide 4, 5-époxytetrahydrophthalique, un composé époxy contenant à la fois un groupement cycloaliphatique et deux types de groupements époxy glycidyliques, comme alternative à l'épichlorohydrine pour la préparation de lignines modifiées. Dans les conditions que nous avons définies, la réaction donne des prépolymères de type lignine-époxy sous forme de poudre avec un niveau d’époxydation de 1,2 mol/kg déterminé par spectroscopie FTIR. La série de tests effectuée sur des mélanges de caoutchouc a montré que la nouvelle lignine époxy associée à la p-xylylènediamine peut être mélangée avec succès avec le caoutchouc naturel et peut atteindre les propriétés de notre mix de référence. / The industrial framework of this project is the substitution of phenol formaldehyde resin (RFP) and its methyl donor hardener currently used for improving the performances of rubber compositions of tires or semi-finished products for tires. A critical aspect is the need for an increase of rigidity at low deformation without enhancement of the hysteresis of the cured elastomers filled with carbon black. The specific aim of this PhD work was to propose an alternative thermosetting system to the current RFP resins. This new system should be rich in renewable carbon and chemically modified by environmentally friendly processes. Lignin was chosen as the source of the renewable carbon. A preliminary study emphasized the potentialities of a class of epoxy-modified lignins for the targeted application. The main approach was the design of epoxy modified lignin to be obtained by an original method avoiding the use of epichlorohydrine and to be subsequently cured by appropriate cross-linkers. A preliminary screening with a lignin model compound gave the range of the epoxy compounds and the conditions to be tested for the reaction with lignin. Then various experiments with lignin confirmed the potential of 4, 5-epoxytetrahydrophthalic acid diglycidylester, an epoxy compound containing both one cycloaliphatic and two glycidyl type of epoxy groups, as an alternative for epichlorohydrine for the preparation of modified lignin. In the conditions we have defined, the reaction yielded epoxy lignin-based prepolymers as a powder with epoxy level as high as 1,2 mol/kg determined by FTIR spectroscopy. The series of evaluation campaigns in rubber blends showed that the new epoxy-modified lignin associated with p-xylylenediamine can be successfully mixed with natural rubber and enable to reach the properties of our reference mix.

Au cours de ce projet, il a été démontré qu’il était possible d’appliquer un procédé utilisant comme solvant du 2-MeTHF ainsi que du Nickel de Raney comme catalyseur afin de valoriser par hydroliquéfaction différentes formes de biomasse résiduelles. Dans un premier temps, ce procédé, résumé dans un premier article, s’est avéré efficace pour trois différentes sources de carbone : des déchets ménagers, des boues de station d’épuration et des microalgues. Malgré que la réaction soit affectée par le type de solvant ainsi que la température d’opération, il a été démontré que le 2-MeTHF (un solvant vert) pouvait remplacer la tétraline (un solvant de source fossile) pour l’hydroliquéfaction de ces différentes sources de carbone. L’hydroliquéfaction de ces biomasses a permis la production d’huiles à haute valeur énergétique, se comparant à celle d’un biocarburant. Dans un deuxième article, le même procédé (utilisant le même solvant et catalyseur) a été optimisé pour la liquéfaction d’une fraction de la biomasse lignocellulosique soit la fraction oligomérique issue de la dépolymérisation alcaline de la lignine. Une analyse complète de la liquéfaction d’oligomères d’induline, lignine provenant des liqueurs issus de l’industrie papetière, a révélé la production de trois fractions : une fraction gazeuse, une liquide (soluble dans l’hexane) et une solide (insoluble dans l’hexane). L’analyse élémentaire de la fraction solide a révélé une baisse massique de 15,4% d’oxygène et une augmentation massique de 1,4% d’hydrogène par rapport aux oligomères utilisés comme réactifs. Une chaleur massique (HHV) de 34,0 kJ/g a été mesurée par bombe calorimétrique pour la fraction solide. L’analyse par chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse (GC-MS) de la fraction liquide a permis d’identifier la présence de nombreux monomères tel le 2-methoxy-phénol, de 4-éthylgaïacol et le crésol. Une HHV de 34,2 kJ/g a été mesurée par bombe calorimétrique de la fraction liquide. La fraction gazeuse était principalement constituée de méthane et de CO[indice inférieur 2].

Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences des agroressources : Toulouse, INPT : 1995. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 334 réf.

Thèse doctorat : Biologie Moléculaire et Cellulaire : Strasbourg 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 15 p.

Proefschr. Rijksuniversiteit Groningen. / Met lit. opg.-Met bibl.-Met samenvatting in het Nederlands.