Ce travail de recherche se décompose en trois parties. Le premier volet fait part des différentes approches étudiées dans la littérature concernant les bois-plastiques (WPC) et de différentes possibilités existantes tout en mettant en avant les résultats préliminaires obtenus. Il rapporte aussi le potentiel des lignines comme agent de couplage. L’objectif du second volet est l’optimisation de l’efficacité de ce nouveau type d’agent de couplage en combinant des lignines modifiées à un agent de couplage commercial (le polyéthylène maléaté: MAPE). Finalement, le dernier volet reprend les connaissances développées dans les précédentes parties tout en ajoutant deux aspects : la résistance aux cycles de gel-dégel et l’effet des extractions à l’eau et à la soude. Le problème des WPC est lié aux caractéristiques extrêmement opposées des fibres naturelles et de la matrice polymère, ce qui les rend incompatibles. Une multitude de traitements physiques ou chimiques peuvent améliorer la compatibilité et les interactions interfaciales entre les composants. L'impact environnemental et économique de l'utilisation de produits chimiques dérivés du pétrole et la demande de valoriser les coproduits du bois offrent la possibilité d'utiliser les lignines estérifiées dans la production d’une nouvelle génération de WPC. Nous avons démontré la faisabilité de composites à base de polyéthylène haute densité (HDPE) contenant 30% de fibres d’écorces d'épinette noire, avec 5% (basé sur la masse de l'écorce) de lignine Kraft estérifié à l'anhydride maléique. La combinaison de lignines Kraft estérifiées avec du MAPE (à teneurs égales) a permis d’optimiser l’efficacité de l’agent de couplage avec une nouvelle façon d'améliorer la compatibilité entre les fibres et la matrice. Étant donné que les fibres naturelles contiennent de la lignine, la lignine estérifiée (deux estérifications étudiées : succinique et maléique) a créé une structure qui a agit comme un intermédiaire entre les fibres d'écorce et la matrice HDPE hydrophobe, grâce à sa haute porosité permettant un ancrage mécanique intéressant et des liaisons de type van der Waals ou d’interactions π-π donnant du liant à cette nouvelle structure. On a déterminé l'effet de la composition d'agent de couplage comme étant un facteur majeur sur les propriétés mécaniques. Une analyse statistique a permis de trouver les meilleurs paramètres pour optimiser les propriétés mécaniques des composites et optimiser cette approche novatrice d’agent de couplage pour les WPC. Il a finalement été décidé d’étudier l’effet d’extractions à l’eau ou à la soude des écorces sur les caractéristiques mécaniques tout en intégrant une analyse de la résistance aux cycles gel-dégel dans le cas d’une application extérieure du matériau, correspondant au contexte québécois. Il a été démontré que les différentes extractions n'altèrent pas les propriétés mécaniques en flexion et en traction. Mais le test de résistance aux gels-dégels met en valeur les caractéristiques des WPC. Un meilleur comportement a été trouvé pour les formulations avec un agent de couplage combinant les lignines estérifiées avec du MAPE. / This research work is divided into three parts. The first part is dedicated to the review of different approaches discussed in the literature concerning wood-plastic composites (WPC) and different possibilities while highlighting the preliminary results obtained. It also reported the potential of lignin as coupling agent. In the second part, the optimization of the effectiveness of this new type of coupling agent combining modified lignin with a commercial coupling agent (polyethylene maleate: MAPE) is discussed. Finally, the performance of the selected composites upon the freeze-thaw resistance tests and the effect of extractions (water and soda) on the characteristics (flexural and tensile properties) of composites containing bark fibers and modified lignin are presented in the last part. The problem of compatibility between the constituents of WPC is related to the extremely opposite characteristics of natural fibers and the polymer matrix. A multitude of physical or chemical treatments can improve compatibility and the interfacial interactions between components. The environmental and economic impact of the use of petroleum chemicals and the demand to valorize the co-products of wood transformation offers the possibility of using esterified lignin in the production of a new generation of WPC. We have demonstrated the feasibility of composite based on high density polyethylene (HDPE) containing 30% of black spruce bark fibers, with 5% (based on the mass of bark) of Kraft lignin esterified by maleic anhydride. The combination of esterified Kraft lignin with the MAPE (at equal levels) has been demonstrated to improve the compatibility between the bark fibers and the matrix. Given that natural fibers contain lignin, the esterified lignin (with succinic and maleic anhydride) is supposed to create a structure which acts as bond between the bark fibers and the hydrophobic matrix (HDPE). This action is related to the high porosity of esterified lignin as revealed by SEM, which allows for mechanical anchoring due to van der Waals or π–π interactions. The effect of the structure of coupling agent on the mechanical properties of the composites has been determined. A statistical analysis performed on the collected data made it possible to determine the best settings of parameters for optimal mechanical properties of composites, designed through the innovative approach of using esterified Kraft lignin as a coupling agent for WPC. Finally, the effect of water and soda extractions of bark fibers prior to their incorporation into composites was studied, on the mechanical characteristics of the composites. The composites with best mechanical performance were finally tested regarding freeze-thaw resistance since an outside application of the material, is anticipated in the Quebec context. However, the test for resistance to freeze-thaw positively influences the characteristics of WPC. It has been shown that different extractions do not affect the mechanical properties (flexural and tensile). Better behavior was found for formulations with a coupling agent combining lignin esterified with the MAPE.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/25236 |
| Date | 20 April 2018 |
| Creators | Mariotti, Nicolas |
| Contributors | Rodrigue, Denis, Stevanovic-Janezic, Tatjana, Wang, Xiangming |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxiv, 174 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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