L'un des sujets étudiés actuellement au Département de technologie des produits forestiers de l'École de technologie chimique est l'utilisation de la nanocellulose comme renfort de polymères tels que les thermoplastiques. Nanocellulose, ou de la fibre de bois décomposée à l'échelle nanométrique, mélangé avec un polymère donne un matériau résistant. Ce produit purement naturel peut remplacer les fibres synthétiques à base de pétrole couramment utilisées pour renforcer les matériaux composites de nos jours.

Dans sa thèse de doctorat, Mindaugas Bulota, M. Sc. (Technologie.), ont étudié des composites à base d'acide poly(lactique) (PLA) et de cellulose. Bulota a observé que même une petite quantité de cellulose améliore la ténacité du PLA. Lorsque la quantité de cellulose dans le composite était inférieure à 5 % en poids, la ténacité du composite était environ dix fois supérieure à celle du polymère pur.

Ce matériau composite est renouvelable et, selon le chercheur, se décompose en quelques mois environ.

"Il se décomposerait en eau et en dioxyde de carbone dans un environnement de compost naturel et ne ferait aucun mal à la nature, ", explique Bulota.

Deux polymères cassants se combinent pour former un matériau résistant

Le PLA et la cellulose sont tous deux des polymères cassants.

"Si ce stylo dans ma main était en nanocellulose, il se briserait en morceaux dès qu'il tomberait sur le sol. Encore, la nanocellulose mélangée au PLA donne un matériau résistant qui serait capable de résister aux charges de service, " décrit Bulota.

"C'est comme si le verre cassant était magiquement transformé en plastique résistant, " illustre Bulota.

Bien sûr, ce n'est pas aussi simple que cela. La cellulose est hydrophile, ce qui signifie qu'il se mélange facilement à l'eau et ne se lie donc pas facilement au polymère PLA hydrophobe ou hydrofuge. Dans une réaction appelée estérification, certains des groupes OH hydrophiles de la cellulose sont remplacés par des groupes esters hydrophobes, qui améliorent la compatibilité. Le niveau de substitution peut être utilisé pour contrôler le comportement mécanique des composites.

Produit renouvelable avec de nombreuses applications potentielles

Des films composites PLA-nanocellulose de 70 micromètres d'épaisseur ont été fabriqués et leurs propriétés mécaniques testées. Une attention particulière a été portée à leurs mécanismes de déformation et de rupture sous sollicitation mécanique en traction.

En outre, la structure chimique du composite a été examinée par spectroscopie Raman. Les bandes d'intensité dans un spectre Raman indiquent une plus grande concentration de matériau dans le composite. La nanocellulose doit être uniformément répartie dans un polymère afin d'obtenir les meilleures propriétés.

Les mécanismes de déformation et de rupture des composites à l'échelle nanométrique sont des phénomènes complexes encore mal compris. Des études supplémentaires sur le comportement de la nanocellulose au sein du polymère sont nécessaires.

"Si nous parvenons à mieux comprendre ce qui se passe dans la nanocellulose et le composite PLA sous charge mécanique, on se rapproche d'une recette pour fabriquer un nouveau type de matériaux respectueux de l'environnement, dure, solide et renouvelable. De plus, nous serions en mesure d'adapter les propriétés de ces matériaux en fonction de ses besoins, Bulota explique."

L'éventail des applications possibles est large.

« Les composites en nanocellulose pourraient convenir à diverses applications telles que les implants médicaux, écrans souples, échafaudage pour l'ingénierie tissulaire, Juste pour en nommer quelques-uns. Il pourrait également offrir une alternative écologique aux plastiques à base de pétrole qui sont largement utilisés dans les emballages. L'utilisation intensive de plastiques non dégradables a conduit à des catastrophes écologiques telles que « The Great Pacific Garbage Patch », qui est composé de déchets plastiques flottant dans l'océan Pacifique et fait deux fois la taille des États-Unis. »