Microfibrilles de cellulose : un nouveau marché pour la

Microfibrilles de cellulose : un nouveau marché pour la
protection et la décoration du bois ?
Les matières premières renouvelables constituent un challenge pour le développement
des formulations de peintures et vernis. Dans un contexte de raréfaction de la ressource
pétrolière, la cellulose microfibrillée (microfibrilles, nanofibrilles) représente une
opportunité puisqu’elle est renouvelable, recyclable, et déjà utilisée dans d’autres
industries pour améliorer certaines propriétés des polymères et des films.
En partenariat avec Tecnalia, FCBA a réalisé une étude de faisabilité financée par le fonds
commun de région Aquitaine/Euskadi. Il s’agissait d’une part de tester la possibilité
d’incorporer de la cellulose microfibrillée dans des formulations pour bois et d’autre part
d’étudier son influence sur les performances des revêtements ainsi formulés. Le travail a
concerné à la fois des revêtements pour parquet et des finitions extérieures.
Les résultats montrent que l’addition de microfibrilles de cellulose peut présenter un intérêt
pour les revêtements pour bois, en particulier dans le domaine parquet.
Dans ses emplois en construction (parquet, lambris,
bardages, etc..) le bois doit être protégé contre les
agressions mécaniques (résistance aux chocs, à la
rayure par exemple) et physico-chimiques (action de
la pluie et des UV, exposition aux taches, etc..). C’est
pourquoi il est revêtu de finitions qui assurent sa
protection et sa décoration. La raréfaction du pétrole
conduit à une hausse constante du prix des matières
premières synthétiques qui entrent dans la
composition des finitions (peintures, vernis, lasures).
De ce fait les matières premières renouvelables sont
le challenge pour le futur des finitions pour bois.
Dans ce contexte les microfibrilles de
cellulose
représentent
une
opportunité
puisqu’elles
sont
renouvelables, recyclables, et déjà
utilisées dans d’autres industries pour
améliorer
les
propriétés
des
polymères et des films. L’objectif du
projet était donc d’évaluer le potentiel
des celluloses microfibrillées (MFC)
dans les finitions utilisées pour la
protection et la décoration du bois
pour des applications parquet et
bardages.
De la fibre de cellulose aux microfibrilles
Dans un contexte mondial où la demande en produits
écologiques et biosourcés est particulièrement
croissante, la cellulose trouve une place de choix :
renouvelable et biodégradable, elle est la matière
organique la plus abondante sur la Terre. De formule
brute (C6H10O5), c’est un polysaccharide linéaire
formé d’unités de glucose liées entre elle par des
liaisons glycosidiques β-(1-4) comme le montre la
figure 1.
Figure 1: Structure chimique de la cellulose
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1
La présence de nombreux groupes hydroxyles le
long de la chaîne favorise la formation d’un réseau
de liaisons hydrogène intra et intermoléculaires. Cet
arrangement ordonné des chaînes cellulosiques
parallèles entre elles est la base d’un édifice cristallin
que l’on appelle microfibrilles. Chaque microfibrille
peut être considérée comme un fil de cristaux de
cellulose liés par des zones désordonnées amorphes
le long de l’axe de la microfibrille. Les cristaux de
cellulose sont quant à eux appelés « whiskers ».
La Figure 2 synthétise les étapes de fabrication.
Les microfibrilles présentent des largeurs, des
longueurs, des formes et des cristallinités qui
peuvent varier suivant l’origine de la cellulose, mais
dans tous les cas, elles sont toujours nettement plus
longues que larges
La cellulose microfibrillée
La cellulose microfibrillée a récemment attiré
l’attention des chercheurs pour des applications dans
les composites, les couches et les films, du fait de sa
forte surface spécifique, sa mouillabilité et ses
propriétés mécaniques uniques (voir Tableau 1) qui
en font un renfort d’intérêt pour les polymères.
Matériau
Module d’Young (GPa)
Fibrille de cellulose
130
Fibre de verre
65
Aluminium
70
Acier
190
Tableau 1: Comparaison du module d’Young de
quelques matériaux
Dans cette étude, la production de cellulose
microfibrillée a été réalisée par FCBA. Elle s’est faite
en différentes étapes à partir d'une pâte kraft
blanchie de feuillus (pâte commerciale d'eucalyptus).
La pâte industrielle est d'abord fortement raffinée
pour réduire de manière significative la longueur des
fibres afin d’obtenir une suspension homogène et
accroître l'accessibilité de la paroi cellulaire pour le
traitement ultérieur de la cellulose. Les fibres sont
également traitées par voie enzymatique afin de
faciliter leur désintégration dans les chambres de
l’homogénéiseur utilisé pour la production des
celluloses
microfibrillées.
L’homogénéiseur
(Microfluidizer M-110EH) peut être équipé de trois
chambres: la première a un diamètre interne de 400
μm, celui de la seconde est de 200 μm et celui de la
troisième est de 100 μm. L’homogénéisation consiste
en plusieurs passages successifs dans le système
afin d’augmenter le degré de fibrillation de la
cellulose. Les qualités des suspensions augmentent
(meilleure homogénéité, diminution de la taille des
particules) en fonction du nombre de passages.
Figure 2 : Production de microfibrilles (MFC) et de
nanofibrilles de cellulose (NFC)
Deux lots de cellulose microfibrillée (un lot de
microfibrilles et un lot de nanofibrilles) ont été
produits par FCBA et fournis à Tecnalia qui les a
utilisés pour la formulation des revêtements à évaluer
dans la suite de l’étude.
La suspension de cellulose microfibrillée (MFC)
présentait des fragments de fibres de petite taille
(quelques microns). La suspension de cellulose
nanofibrillée (NFC) présentait des éléments de taille
plus homogène que la précédente, avec une majorité
d’éléments (environ 80%) d’une largeur inférieure ou
égale à 100 nm. La longueur des particules variait de
1 à 10 μm.
Tecnalia a alors préparé deux formulations pour
parquet (polyuréthane bi-composants en phase
solvant et en phase aqueuse) et deux formulations
en phase aqueuse pour extérieur (l’une acrylique,
l’autre acrylique/alkyde) dans lesquelles a été ajoutée
de la cellulose microfibrillée (MFC ou NFC).
Dans le cas des formulations pour parquet, le
travail a montré que la finition polyuréthane phase
solvant était plus sensible à l’incorporation de
cellulose microfibrillée que la finition polyuréthane
phase aqueuse. Une addition de 5% de suspension
de cellulose microfibrillée influence sa durée de vie
en pot.
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C’est pourquoi la concentration maximale de 3% a
été retenue pour le reste de l’étude. Cette
concentration ne modifie pas fondamentalement
l’esthétique de la surface appliquée, alors qu’une
addition de 5% de suspension de cellulose
microfibrillée apporte un aspect laiteux à la finition.
L’ajout de cellulose n’apporte pas de modification
significative de l’adhérence, de la résistance à
l’abrasion, de la couleur. Une amélioration de la
résistance au choc de la finition polyuréthane phase
solvant a été montrée grâce à l’addition de 3% de la
suspension de microfibrilles de cellulose.
La résistance aux agents chimiques n’est pas
fondamentalement modifiée mais une légère
diminution de la résistance à l’encre a été constatée
dans le cas de l’ajout de MFC pour la finition phase
solvant.
La résistance à la lumière n’est pas non plus
impactée de manière notable par l’addition de fibrilles
de cellulose.
Dans le cas des deux formulations pour extérieur
(acrylique, et acrylique/alkyde), l’addition de 3% de la
suspension de fibrilles de cellulose n’influence pas
l’adhérence, le brillant spéculaire, la couleur.
Au terme du vieillissement réalisé, on ne constate
pas d’amélioration notable du comportement des
deux finitions testées. Par contre, sur le chêne,
essence nécessitant des finitions souples, on
constate que l’addition de microfibrilles conduit à une
augmentation du craquelage, vraisemblablement du
fait d’une diminution de l’extensibilité du revêtement.
Le craquelage n’a pas été impacté sur les deux
autres supports testés (pin radiata, chêne traité
thermiquement) moins exigeants vis-à-vis de la
finition.
Cette étude de faisabilité montre que l’addition de
cellulose microfibrillée peut présenter un intérêt pour
les revêtements pour bois, en particulier dans le
domaine parquet.
D’autres origines de cellulose gagneraient à être
investiguées pour optimiser les performances. Une
fonctionnalisation de la cellulose microfibrillée peut
également s’envisager pour conduire à d’autres
améliorations.
.
Photos 1 : Observation au microscope électronique à
transmission de suspension de MFC (haut) et NFC (bas)
Contacts :
Laurence PODGORSKI
Tél. 05 56 43 63 66
[email protected]
Sandra TAPIN-LINGUA
Tél. 04 76 76 10 16
[email protected]
FCBA – Pôle Industries Bois Construction
Section Etudes&Recherche
Allée de Boutaut, BP 227, 33028 Bordeaux Cedex
Etude en partenariat avec
Etude financée par
Fonds Communes de la région Aquitaine / Euskadi
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