Nanocristaux de cellulose sensibles au CO2 et leurs applications

Les travaux de cette thèse ont porté sur le développement d’applications pour les Nanocristaux de Cellulose (NCC) sensibles au CO2. Les NCC en forme de bâtonnets sont modifiées chimiquement ou physiquement par des polymères sensibles au CO2 afin de concevoir de nouvelles applications. Ces polymères sont sensibles au CO2 dans un environnement aqueux, car le CO2 peut les protoner tandis qu’un gaz inerte peut les ramener à leur état neutre. Deux polymères, le poly(2-(diéthylamino)éthyle méthacrylate) (PDEAEMA) et le poly(2-(diméthylamino)éthyle méthacrylate) (PDMAEMA), sont utilisés comme polymères sensibles au CO2 dans cette thèse. Ces deux polymères présentent des différences de comportement en milieu aqueux. Ainsi, le PDEAEMA est un polymère hydrophobe à l'état neutre, mais il devient hydrophile lorsque protoné par le CO2 en solution aqueuse. Cependant, PDMAEMA est un polymère hydrophile dans les deux états protoné ou non protoné. En greffant les polymères sur les NCC ou en les mélangeant dans la suspension de CNC, les charges de surface ou les interactions intermoléculaires changent sous l'effet des gaz. Ainsi, les NCC sensibles au gaz ouvrent un nouveau domaine d'applications. Les résultats obtenus dans cette thèse valident de nouvelles stratégies dans trois applications différentes et offrent des perspectives pour développer et explorer de nouveaux matériaux à base de NCC sensibles au CO2. Dans le premier chapitre (Chapitre 1), les méthodologies des projets sont expliquées. Les instruments utilisés dans les trois projets avec leur description détaillée et l'ensemble des parties expérimentales de la thèse sont décrits dans ce chapitre. Dans le premier projet (chapitre 2), le but recherché est le développement de nanocomposites ayant des applications industrielles, employant les NCCs comme nanocharge dans d’autres polymères usuels. Dans cette approche, les NCCs sont greffés avec du PDEAEMA (CNC-g-PDEAEMA-Py) pour concevoir une stratégie « universelle » de fabrication de nanocomposites (à base de polymères hydrophiles ou hydrophobes) sans additifs. En greffant le polymère sensible au CO2 à la surface des NCCs, leur polarité peut être modulée en fonction des gaz. Les NCCs greffés résultants sont des nanocharges compatibles avec un polymère hydrophile ou hydrophobe (lipophile). Les nanocomposites sont obtenus par un processus de transfert direct de la nanocharge sensible au CO2 à travers l’interface eau-solvant organique, en réponse au bullage de deux gaz (CO2 et N2), puis de leur dépôt en solution. Dans le deuxième projet (chapitre 3), l’application visée est la filtration pour l’industrie. De cette manière, les NCCs greffés avec du PDEAEMA sont utilisées pour fabriquer des filtres sensibles au CO2. Nous fabriquons des NCCs intelligents, couvrant une gamme allant de l'ultrafiltration à la nanofiltration, et dont la taille des pores peut être ajustée à quelques nanomètres juste en faisant barboter du CO2 et du N2 en solution aqueuse. Le PDEAEMA sensible au gaz contrôle l’espace libre entre les NCCs agencés en forme de bâtonnets et déposés de manière aléatoire sur une membrane de support. Les polymères écrasés à la surface des NCCs maintiennent l’espace entre les bâtonnets de NCC à leur capacité maximale (appelé « ouvert »), et les polymères érigés réduisent cet espace (appelé « fermé »). Ces membranes sont utilisées pour la filtration de matériaux non chargés ou chargés. Dans le troisième projet (chapitre 4), l'objectif est de contrôler la phase nématique chirale composée de NCCs pour la fabrication de cristaux liquides (CLs) sensibles au CO2. Pour y parvenir, des suspensions de NCCs et de PDMAEMA sont étudiées pour contrôler la couleur structurelle provoquée par le libre maintien des NCCs dans ces suspensions. Le mélange de PDMAEMA et de NCC est sensible au CO2, montrant une transition de phase de chirale nématique à isotrope en présence de CO2. Comme le PDMAEMA protonné par le CO2 subit une attraction électrostatique des NCCs chargées négativement, les arrangements hélicoïdaux des NCCs sont donc influencés par le CO2. Cependant, les structures de cristaux liquides sont encore reproduites (transition de phase d’isotropique à nématique chirale) après l’élimination du CO2 par chauffage puis purge avec de l'Ar. Ce phénomène a été prouvé par les techniques de microscopie optique polarisé et de microscopie électronique à balayage.

Name thesis:degree_name

Ph. D.

Level thesis:degree_level

Doctorat

Discipline thesis:degree_discipline

Chimie

Grantor dc:publisher

Université de Sherbrooke

Year dc:date.issued

2019

Author dc:creator

• Farnia, Farhad

Advisors dc:contributor.advisor

• Zhao, Yue
• Dory, Yves

• Nanocristal de cellulose
• NCC
• Polymères sensibles au CO2
• PDEAEMA
• PDMAEMA
• Nanocomposite
• Membrane
• Cristaux liquides
• CL
• Cellulose Nanocrystal
• CNC
• CO2-responsive polymers
• Liquid crystal
• LC

Licence dc:rights.uri

• http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/ca/

Language dc:language.iso

en

Handle dc:identifier.uri

http://hdl.handle.net/11143/18836

OAI identifier oai:identifier

oai:usherbrooke.scholaris.ca:11143/18836