Puisque cette thèse présente deux études indépendantes sur les nanocristaux de cellulose, le résumé a été divisé en deux sections qui font référence aux chapitres II et III, respectivement.Investigation morphologique et structurelle des nanocristaux de cellulose I et II préparés par hydrolyse à l'acide sulfuriqueLe but du travail de recherche présenté dans le chapitre II était de produire, de caractériser et de comparer les CNC obtenus à partir de la pâte de bois d'eucalyptus en utilisant trois méthodes différentes: i) l'hydrolyse classique à l'acide sulfurique (CN-I), ii) l'hydrolyse acide de la cellulose précédemment mercerisée par traitement alcalin (MCN-II), et iii) la solubilisation de la cellulose dans l'acide sulfurique et la recristallisation subséquente dans l'eau (RCN-II). Les trois types de CNC préparés présentent des morphologies et des structures cristallines différentes. Lorsque les conditions d'hydrolyse acide sont mises en place de telle sorte que les domaines cristallins dans la pâte de bois initial et la cellulose mercerisée (WP et MWP, respectivement) sont préservés (60 wt% H2SO4, 45°C, 50 min), les nanocristaux résultants conservent la nature fibrillaire des fibres d’origine (c'est-à-dire que l'axe de la chaîne est parallèle au grand axe des particules aciculaires) et leur type allomorphe initial (I pour WP et II pour la MWP). Dans les deux cas, les particules sont principalement composées de quelques cristallites élémentaires liées latéralement. Les nanocristaux unitaires dans les CNC préparés à partir de cellulose mercerisée (MCN-II) sont plus courts, mais plus larges que ceux préparés à partir des fibres de cellulose I (CN-I). Si des conditions plus sévères sont considérées (64 wt% H2SO4, 40°C, 20 min), ce qui entraîne la dépolymérisation et la dissolution de la cellulose native, les chaînes courtes recristallisent en rubans de Cell-II lors de la régénération dans l'eau à température ambiante. Dans ces rubans tortueux, l'axe de la chaîne serait perpendiculaire au grand axe du nanocristal et parallèle à son plan basal.La structure moléculaire et cristalline unique des nano-rubans implique qu'un nombre plus élevé d'extrémités de chaîne réductrice sont situées à la surface des particules, ce qui peut être important pour des modifications chimiques subséquentes et pour de potentielles applications spécifiques telles que la biodétection et la bio-imagerie. Donc, cette étude permet de mieux comprendre la structure cristalline et la morphologie de la CNC obtenue par régénération à l'acide sulfurique.Propriétés mécaniques de nanocomposites de caoutchouc naturel renforcé avec des nanocristaux de cellulose à facteur de forme élevé extraits de la coque de sojaDans cette étude, les CNCs ont été isolés des coques de soja à partir d’un traitement par hydrolyse avec de l'acide sulfurique. Ces CNCSH ont été utilisés comme phase de renfort dans une matrice NR par casting à différents taux de charge, à savoir 1, 2.5 et 5% en poids. Les effets des CNCSH sur la structure ainsi que sur les propriétés thermiques et mécaniques du NR ont été étudiés. Par exemple, en ajoutant seulement 2,5% en poids de CNC, le module de conservation en traction du nanocomposite à 25 °C est environ 21 fois plus élevé que celui de la matrice NR non chargée. Cet effet de renfort est supérieur à celui observé pour les CNCs extraits d'autres sources. Il peut être attribué non seulement au facteur de forme élevé de ces CNCs, mais aussi à la rigidité du réseau percolant de nanoparticules formé au sein de la matrice polymère. De plus, il a été constaté que la sédimentation des CNC pendant la mise en œuvre du film nanocomposite par casting joue un rôle crucial sur les propriétés mécaniques. Une contribution importante de ce travail est de mettre en évidence l'importance de la sédimentation des CNCs, pendant l'étape d'évaporation sur les propriétés mécaniques des nanocomposites, ce qui est rarement mentionné dans la littérature. / Since this thesis presents two independent studies on cellulose nanocrystals, the abstract was divided in two sections referring to chapters II and III, respectively.Comprehensive morphological and structural investigation of cellulose I and II nanocrystals prepared by sulfuric acid hydrolysisCellulose nanocrystals (CNCs) were produced from eucalyptus wood pulp using three different methods: i) classical sulfuric acid hydrolysis (CN-I), ii) acid hydrolysis of cellulose previously mercerized by alkaline treatment (MCN-II), and iii) solubilization of cellulose in sulfuric acid and subsequent recrystallization in water (RCN-II). The three types of CNCs exhibited different morphologies and crystal structures that were characterized using complementary imaging, diffraction and spectroscopic techniques. CN-I corresponded to the type I allomorph of cellulose while MCN-II and RCN-II corresponded to cellulose II. CN-I and MCN-II CNCs were acicular particles composed of a few laterally-bound elementary crystallites. In both cases, the cellulose chains were oriented parallel to the long axis of the particle, although they were parallel in CN-I and antiparallel in MCN-II. RCN-II particles exhibited a slightly tortuous ribbon-like shape and it was shown that the chains lay perpendicular to the particle long axis and parallel to their basal plane. The unique molecular and crystal structure of the RCN-II particles implies that a higher number of reducing chain ends are located at the surface of the particles, which may be important for subsequent chemical modification. While other authors have described nanoparticles prepared by regeneration of short-chain cellulose solutions, no detailed description was proposed in terms of particle morphology, crystal structure and chain orientation. Was provide such a description in the present document.Mechanical properties of natural rubber nanocomposites reinforced with high aspect ratio cellulose nanocrystals isolated from soy hullsCellulose nanocrystals (CNCs) were isolated from soy hulls by sulfuric acid hydrolysis. The resulting CNCs were characterized using TEM, AFM, WAXS, elemental analysis and TGA. The CNCs have a high crystallinity, specific surface area and aspect ratio. The aspect ratio (around 100) is the largest ever reported in the literature for a plant cellulose source. These CNCs were used as a reinforcing phase to prepare nanocomposite films by casting/evaporation using natural rubber as matrix. The mechanical properties were studied in both the linear and non-linear ranges. The reinforcing effect was higher than the one observed for CNCs extracted from other sources. It may be assigned not only to the high aspect ratio of these CNCs but also to the stiffness of the percolating nanoparticle network formed within the polymer matrix. Moreover, the sedimentation of CNCs during the evaporation step was found to play a crucial role on the mechanical properties.

Les objectifs de ce projet sont de mettre au point des pâtes de cellulose pour la synthèse de dérivés cellulosiques à haute valeur ajoutée : éthers de cellulose, nitrocelluloses et acétates de cellulose. La stratégie de recherche est générale car quelles que soient les applications visées, les caractéristiques chimiques recherchées sont très proches (viscosité en solution contrôlée, teneur en ?-cellulose élevée et haute blancheur). Les hémicelluloses, qui réagissent lors des réactions de fonctionnalisation de la cellulose pour former des composés insolubles, sont les principales impuretés à éliminer. Les caractéristiques physico-chimiques de la cellulose (cristallinité, teneur en éléments fins, densité de la feuille de pâte) ont aussi une influence considérable sur l’accessibilité et la réactivité de la cellulose. Différentes options ont alors été envisagées pour atteindre ces objectifs : modification des paramètres de cuisson bisulfite, élimination des éléments fins, préhydrolyse des copeaux de bois, ajout d’additifs lors de la purification et mise au point d’une nouvelle étape de purification alcaline à température modérée. La suppression des éléments fins conduit à une amélioration des qualités de la cellulose (baisse du taux d’hémicelluloses, faibles taux d’extrait et indice de cuivre) et de la nitrocellulose produite. Le traitement des pâtes de cellulose par des solutions de soude concentrées à température modérée permet d’atteindre des niveaux de pureté très élevés (haute teneur en ?-cellulose, faible teneur en hémicelluloses et haute blancheur) et conduit à une amélioration des propriétés des acétates de cellulose produits avec ces pâtes. L’analyse de ces pâtes par diffraction des RX montre qu’elles sont faiblement mercerisées. De plus, nous avons mis au point un test d’acétylation rapide afin de pouvoir étudier l’influence des propriétés physiques et chimiques de la cellulose lors de la synthèse de l’acétate de cellulose Ce test d’acétylation permet de différencier l’origine de la ressource fibreuse, mais n’est pas encore assez sensible pour rendre compte de l’importance de l’état physique de la cellulose (densité de la feuille, taux de mâtons). Il apparaît au cours de cette étude que la pureté chimique ne suffit pas pour produire des dérivés cellulosiques de haute qualité : l’aspect physico-chimique de la cellulose (taux de cristallinité, accessibilité, réactivité) est aussi important. / The objectives of this project are to design high purity cellulose pulps for the synthesis of high added value cellulose derivatives : cellulose ethers, cellulose nitrate and cellulose acetates. The research strategy is general because whatever are the aimed applications, the desired chemical characteristics are very close (controlled viscosity in solution, high ?-cellulose content and high brightness). Hemicelluloses, which react during derivatization reaction to form insoluble compounds, appears to be the main impurities. Physico-chemical properties of cellulose (cristallinity index, content in fine elements, sheet density) have also a considerable influence on the accessibility and the reactivity react of the cellulose. Various ways have been envisaged to improve the purity of the cellulose : modification of bisulfite cooks parameters, removal of the fine elements, prehydrolysis of wood, addition of additives during the purification and the development of a new alkaline purification step at room temperature. Fines elements removal leads to a improvement of the qualities of the cellulose (low hemicelluloses content, low extract content and copper number) and of the synthesized nitrocellulose. The treatment of cellulose pulps by concentrated caustic soda solutions at mild temperature allows reaching very high levels of purity (high ?-cellulose content, low hemicelluloses content and high brightness) and led to an improvement of the properties of cellulose acetate produced with these pulps. X-Ray analyses of these pulps show no excessive mercerisation. The quick acetylation test could differentiate the origin of the fibrous resource, but it is not rather sensitive to report the importance of the physical state of the cellulose (density, knots level). During this study, it appears that high chemical purity of cellulose pulps is not enough for the production of high quality cellulose derivatives : the physico-chemical aspect of the cellulose (cristallinity index, accessibility, reactivity) is also very important.