L’objet de cette thèse est l’étude d’un nouveau procédé de fabrication d’agromatériaux : le moulage par thermocompression uniaxiale haute pression de matières végétales, sans prétraitement et sans ajout de liant. Le premier chapitre dresse l’état de l’art des matériaux lignocellulosiques « auto-liés », tels que définis dans le domaine des panneaux de fibres. Sont étudiés : l’influence des conditions opératoires pour servir de référence malgré une pression de moulage inférieure à celle envisagée dans notre étude, l’influence du type de biomasse, l’utilisation d’un prétraitement à la vapeur et les modifications subies par les fibres lors du pressage. Des données de domaines scientifiques proches sont confrontées afin de discuter des possibles mécanismes de cohésion. Une courte partie technologique décrit le procédé et son évolution au cours des étapes de prototypage réalisées pendant ces travaux. Certaines limites sont relevées et notamment l’influence majeure de la maîtrise technique sur le champ expérimental et les résultats. La cellulose est d’abord étudiée comme polymère modèle. Une méthode est développée afin d’évaluer l’effet des conditions opératoires sur les propriétés mécaniques des matériaux compressés. La pression a un effet limité au-delà de 100 MPa, le temps de moulage n’a pas d’effet significatif (peut être réduit à 3 s) et une certaine humidité est favorable. La température est le paramètre le plus impactant. Les propriétés mécaniques, la densité et une faible reprise en eau des éprouvettes lui sont corrélées de même que la nette diminution de l’espace interparticulaire en surface. Avec un taux d’hydratation de 8% et à 200°C, l’accumulation de vapeur dans les couches internes du matériau entraîne une délamination. Le couple humidité / température (0-8% et 175-250°C) est alors étudié et au-delà de 225°C, l’effet de la délamination s’estompe. Les meilleures propriétés mécaniques sont obtenues à 2% et 250°C : 31 / 70 MPa de contrainte à la rupture en traction / flexion respectivement et 2 et 8 GPa de module correspondants. La relation structure / propriété est discutée au regard des données obtenues. L’eau joue un rôle central et contradictoire car elle plastifie la cellulose et augmente la conductivité thermique dans un sens mais à contrario l’eau en excès s’accumule au centre du matériau, inhibe la cohésion et provoque la délamination. L’additivation de corps gras à la cellulose lors de la compression augmente la résistance à l’eau des éprouvettes : 5% d’acide stéarique et de stéarate de magnésium augmentent la durée de pénétration d’une goutte d’eau dans le matériau ainsi que son angle de contact en surface. La possibilité d’effectuer le greffage de l’acide octanoïque (et son équivalent anhydride) lors du moulage est étudiée et confirmée par analyse CPG avec un DS maximum de 3,9.10-2 pour l’acide et 4,8.10-2 pour l’anhydride. Des prétraitements (échange de solvant et homogénéisateur haute pression) sont indispensables afin d’améliorer le contact cellulose / greffons et pour parvenir à un taux de greffage significatif. Une corrélation est établie entre le taux de greffage et la diminution des propriétés en flexion des matériaux greffés. Le procédé est ensuite appliqué à un panel de matières végétales brutes (résidus de culture ou issus d’une transformation) dans l’optique d’établir un lien entre les propriétés physico-chimiques des matières végétales et les propriétés des matériaux issus de leur compression. Malgré une significativité statistique peu élevée et des propriétés plus faibles que celles obtenues avec la cellulose, le lien est établi entre des taux élevés de cellulose et de lignine, des faibles taux d’extractifs, d’hémicellulose, de cendres et de protéines et de meilleures propriétés mécaniques et de résistance à l’eau. En réponse aux limites de cette technique, un procédé alternatif de moulage par transfert est proposé dont les essais préliminaires confirment de nombreuses perspectives. / This thesis work objective is the study of a novel forming process for the production of agromaterials: a high-pressure uniaxial thermocompression process for the molding of natural lignocellulosic materials, without pretreatment or binders. The first chapter is the state-of-the-art of « self-bonded » lignocellulosic materials as defined in the domain of wood-based panels. It comprises the study of the effect of the operating conditions even though reported pressures are much lower than the intended pressure in our study: the influence of the biomass type, the use of steam pretreatment and the fibers modification during processing. Data from closely related scientific domains are compared in order to discuss about the possible mechanisms of cohesion. A short technological part describes the process and its evolution over the prototyping steps in this work. Some limits are reported in particular about the major influence of the technological capability on the exploratory field and on the results. At first, cellulose is chosen as a model polymer. A method is developed in order to study the influence of the operating conditions on the compacted materials’ mechanical properties. Pressure has a limited effect above 100 MPa, the molding time has no significant effect (it can be reduced to 3 seconds) and a minimum of moisture content is necessary. Temperature is the most impacting factor and is correlated with higher mechanical properties, higher density and lower moisture uptake of the specimens as well as to a significant decrease of interparticular space on the surface. At 8% moisture and 200°C, steam accumulates in the core of the material which leads to the delamination of the samples. The moisture / temperature couple (0-8% and 175-250°C) is thus specifically studied; above 225°C the effect of delamination is decreased. The best mechanical properties are obtained at 2% and 250°C: 31/70 MPa of stress at break in tensile/bending and 2 and 8 GPa for the corresponding moduli. The structure / property relationship is discussed thanks to the data obtained. Water has a key role yet contradictory because of its plasticizing effect and higher thermal conductivity in one hand, and the accumulation of steam which hinders the cohesion at the core and leads to delamination. The addition of fatty compounds to cellulose increases the water resistance of the specimens: 5% of stearic acid and magnesium stearate increased the water drop penetration time and its surface contact angle. The grafting of octanoïc acid (and its anhydride equivalent) during the molding process is studied and confirmed by CPG analysis with a maximum DS value of 3.9 10-2 for the acid and 4.8 10-2 for the anhydride. Pretreatments (solvent exchange and high pressure homogenizer) are necessary in order to increase the cellulose / grafts contact and to obtain a significant grafting yield. The grafting yield is correlated with a decrease of the bending properties of the grafted materials. The process is then applied to a variety of raw plant materials (crop residues or byproducts of a first processing) with the aim of establishing a link between the physico-chemical properties of the plant materials and the compacted materials’ mechanical properties. Despite a mediocre statistical significance and lower properties of the materials compared to cellulose, the link is confirmed between high cellulose and lignin contents, low extractives, hemicelluloses, ashes and protein contents and high mechanical properties and water resistance. In response to the limits of this technique, an alternative process of transfer molding is proposed, together with preliminary tests that confirm numerous prospects.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2015INPT0039 |
| Date | 27 March 2015 |
| Creators | Pintiaux, Thibaud |
| Contributors | Toulouse, INPT, Rigal, Luc, Rouilly, Antoine |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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