La nature offre une alternative écologique aux matériaux non renouvelables
13 Dec 2016
Imaginez un matériau totalement naturel, disponible en abondance et facilement renouvelable, qui pourrait être utilisé facilement pour fabriquer des pièces légères de voitures et d'avions, renforcer les matériaux de construction, réaliser des échafaudages tissulaires biocompatibles, constituer des greffes pour vaisseaux sanguins et des implants médicaux, ou encore composer des systèmes électroniques high-tech et des matériaux d'emballage capables de conserver plus longtemps la fraîcheur des aliments. Les propriétés et les qualités requises pour répondre à toutes ces applications se retrouvent dans les nanoconstituants de cellulose, une molécule structurelle omniprésente dans la nature.
Les nanofibres et les nonocristaux de cellulose extraits de sources naturelles aussi diverses que la pâte de bois (correspondant à environ 50 % de cellulose par pourcentage en poids), des feuilles d'ananas, des peaux de raisin et même de certaines bactéries, sont des pistes prometteuses pour fournir une ressource résolument 'verte' intrinsèquement sûre qui pourrait bien révolutionner les sciences des matériaux et des biomatériaux.
Une planète remplie de cellulose
Depuis des millénaires, les êtres humains exploitent la richesse de matériaux à base de cellulose présents dans le monde, notamment le bois, le coton, le sisal, le chanvre et d'autres céréales dans les industries de la construction, du textile, du papier et des denrées alimentaires. Ce n'est toutefois qu'en 1977 que des chercheurs ont utilisé pour la première fois le procédé d'homogénéisation consistant à éclater physiquement les fibres de cellulose de la pulpe de bois en nanofibrilles, sans détruire les polymères de glucose. Depuis lors, les scientifiques ont développé des méthodes mécaniques, chimiques et bioenzymatiques pour extraire les longues et fines nanofibrilles de cellulose (CNF) et les structures plus courtes de nanocristaux de cellulose (CNC) de forme allongée à partir de toute une série de plantes et autres matières premières biologiques.
Développement de processus de production à l'échelle industrielle
Il ressort des recherches menées actuellement sur la nanocellulose que cette macromolécule disponible partout dans le monde offre des alternatives biodégradeables bon marché aux matériaux d'origine pétrochimique, aux composites et aux métaux issus de l'extraction minière. Cette promesse a encouragé les gouvernements, l'industrie et le monde universitaire à investir dans la R&D de la nanocellulose et à mettre en place des unités de production de nanocellulose à petite échelle et même, plus récemment, à échelle industrielle. Les Research Institutes of Sweden (RISE), par exemple, ont annoncé que la Suède prévoyait de mettre en place une plate-forme destinée à démontrer la fabrication durable à grande échelle de nanocellulose, ainsi que de matériaux et de produits haute performance à base de nanocellulose, à partir de ses propres ressources forestières, d'ici 2025.
Infinité de potentiels
Les applications de la cellulose nanostructurée sont quasi infinies. Légère, mais plus rigide que le Kevlar® et huit fois plus résistante à la traction que l'acier, la cellulose à l'échelle nanométrique peut être conductrice d'électricité, hautement absorbante et thermostable. Le matériel peut se composer de feuilles et autres structures, y compris des laminés ou des films transparents, et être intégré à de nombreux matériaux haute performance différents pour les applications clients, industrielles et biomédicales.
Du papier aux supercondensateurs
En plus de renforcer le papier et le carton, le béton et le plastique, les propriétés de la nanocellulose sont exploitées pour améliorer les qualités des mousses et des gels, des textiles et des colles. Les composites de nanocellulose peuvent constituer des alternatives solides, légères et bon marché aux fibres de carbone et de verre2 non renouvelables, et proposer une alternative durable aux plastiques d'origine fossile actuellement utilisés pour fabriquer des produits aussi divers que des chaises ou des poubelles en plastique, et des composants pour les voitures et les avions2. Les CNC pourraient être exploités pour la fabrication de larges écrans et de panneaux solaires, ou même pour produire des batteries et des supercondenseurs, ou encore des matériaux qui réagissent à des stimuli externes, comme la chaleur, la lumière, l'électricité, le pH ou la pression3,4. La nanocellulose pourrait également constituer la base de produits entièrement nouveaux, comme des matériaux d'administration de médicaments, des biocapteurs, des dispositifs de diagnostic et même des cosmétiques2.
Et étant donné que la nanocellulose peut être extraite de n'importe quelle source végétale, y compris des déchets industriels comme la paille de blé, nous pourrions bien écrire un jour sur du papier fabriqué sans couper des arbres ou même utiliser de l'eau3.
En plus de poursuivre la R&D axée sur les produits finis de la nanocellulose, l'industrie s'attache également à développer des technologies durables, efficaces et rentables pour produire les matières premières de la nanocellulose destinées aux applications industrielles et médicales. L'objectif ultime est de mettre au point des méthodes de production industrielle durables et écologiques, qui minimisent l'utilisation de l'énergie et des ressources et réduisent les déchets.
Approche ascendante ou descendante
La nanocellulose peut être produite selon soit une approche ascendante, c'est-à-dire en fabriquant des polymères de cellulose à partir d'unités manomères de glucose, soit une méthode descendante consistant à briser les parois des cellules végétales et les fibres pour libérer les micro- et nanofibrilles de cellulose et les nanocristaux.
Les processus primaires descendants de production de nanocellulose comprennent l'hydrolyse acide pour générer des CNC, et l'homogénéisation haute pression (HP) pour produire les CNF, mais il est également fait état de nouveaux processus.
Homogénéisation pour l'extraction de nanofibres
L'homogénéisation HP applique des forces de cisaillement mécaniques pour éclater les fibres de cellulose en nanofibres. L'action de cisaillement détruit la matrice de la paroi de la cellule végétale, libère les faisceaux de microfibrilles de cellulose, puis brise les liaisons d'hydrogène longitudinales qui maintiennent les nanofibrilles ensemble, de manière à libérer les longues nanofibres. Le processus peut être facilité par un prétraitement par léger meulage, enzymes ou produits chimiques pour augmenter le pH. Bien que les CNF soient principalement extraites de la pulpe de bois, de nombreuses autres sources végétales ont été utilisées, comme le lin et le chanvre, des carottes, des pommes de terre, du bambou, des coques de noix de coco et de la canne à sucre1.
Technologie de NanoVALVE de GEA
Se fondant sur des décennies d'expérience et de savoir-faire dans la technologie et l'ingénierie dans les segments de l'homogénéisation basse et haute pression, GEA a mis au point des technologies révolutionnaires d'homogénéisation pour traiter les CNF. Développée en partenariat avec l'industrie, notre vanne d'homogénéisation CNF brevetée, NanoVALVE HP, permet un traitement plus rapide de CNF de plus haute qualité, à des pressions nettement moindres et des coûts d'énergie réduits. Les vannes standard traitent les CNF issues de sources végétales à une pression de 1500 bar et un débit typique d'environ 5000 l/h. En comparaison, notre NanoVALVE HP brevetée fonctionne à la moitié de cette pression – 700 bar – mais avec un débit de 14 000 l/h. Et comme le système fonctionne à pression inférieure, la nanocellulose est moins chauffée lors de son traitement, ce qui réduit les besoins en refroidissement des CNF sortant de l'homogénéisateur.
Fabrication plus efficace, plus durable
« Depuis quelques années, nous développons activement des technologies d'homogénéisation pour produire des nanofibres de cellulose » explique Silvia Grasselli, Senior Specialist Process Technology – Responsable CPT Homogenization chez GEA. « La NanoVALVE HP représente l'aboutissement de la R&D axée sur la mise au point de processus de fabrication industrielle plus efficaces, plus rentables et plus durables de ce nouveau matériau. La conception de cette vanne permet une répartition très spécifique du débit au passage de la cellulose, ce qui optimise l'effet d'homogénéisation pour produire les nanofibres de la plus haute qualité constante possible. La pression de service inférieure de la vanne, combinée aux besoins réduits en refroidissement, permettent également d'économiser de l'énergie, tandis que le débit plus rapide améliore considérablement l'efficacité. Sans oublier que, comme la NanoVALVE HP fonctionne à une pression nettement inférieure, les composants fonctionnels sont moins sollicités et leur durée de vie, par conséquent allongée. L'industrie continue à découvrir de nouveaux usages de la nanocellulose, dont les propriétés uniques pourraient révolutionner quantité de matériaux de la vie de tous les jours. GEA a travaillé d'arrache-pied pour développer des technologies fiables, robustes et efficaces pour produire de la nanocellulose à coût réduit et de manière durable, n'importe où dans le monde. »
Références
- Cellulose – Fundamental Aspects and Current Trends. Edited by Matheus Poletto and Heitor Luiz. ISBN978-953-51-2229-6.Chapter 8 Current Trends in the Production of Cellulose Nanoparticles and Nanocomposites for Biomedical Applications, pp 193-228.
- Postek Robert J. Moon Alan W. Rudie and Michael A. Bilodeau. Production and Applications of Cellulose Nanomaterials. Compiled and Edited by: Michael T. Tappi Press June 2013 ISBN: 978-1-59510-224-9.
- VTT Technical Research Centre of Finland Ltd:http://www.vtt.fi/files/events/pulpaper10/nfcapplications_hph.pdf
- Joo-Hyung Kim, Bong Sup Shim, Heung Soo Kim et al.(2015) Review of Nanocellulose for Sustainable Future. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology 56 2(2):197-213.
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