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Fluide supercritique et liquide ionique comme plastiﬁants de polym` eres biosou

Fluide supercritique et liquide ionique comme plastiﬁants de polym` eres biosourc´ es : application ` a l’amidon et ` a l’ac´ etate de cellulose Amine Bendaoud To cite this version: Amine Bendaoud. Fluide supercritique et liquide ionique comme plastiﬁants de polym` eres biosourc´ es : application ` a l’amidon et ` a l’ac´ etate de cellulose. Polym` eres. Universit´ e Jean Monnet - Saint-Etienne, 2014. Fran¸ cais. <NNT : 2014STET4017>. <tel-01310999> HAL Id: tel-01310999 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01310999 Submitted on 3 May 2016 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entiﬁc research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diﬀusion de documents scientiﬁques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es. THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE JEAN MONNET Spécialité CHIMIE ET SCIENCES DES MATERIAUX Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITE JEAN MONNET Présenté par Amine BENDAOUD Sujet Fluide supercritique et liquide ionique comme plastifiants de polymères biosourcés : application à l'amidon et à l'acétate de cellulose Directeur de thèse : Dr. Yvan CHALAMET Thèse soutenue le 13/11/2014 devant le jury composé de : Mme Tatiana BUDTOVA Rapporteur M. Eric LEROY Rapporteur Mme Jannick DUCHET-RUMEAU Examinateur Mme Marie-France LACRAMPE Examinateur M. Caroll VERGELATI Invité M. Yvan CHALAMET Directeur de thèse THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE JEAN MONNET Spécialité CHIMIE ET SCIENCES DES MATERIAUX Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITE JEAN MONNET Présenté par Amine BENDAOUD Sujet Fluide supercritique et liquide ionique comme plastifiants de polymères biosourcés : application à l'amidon et à l'acétate de cellulose Directeur de thèse : Dr. Yvan CHALAMET Thèse soutenue le 13/11/2014 devant le jury composé de : Mme Tatiana BUDTOVA Rapporteur M. Eric LEROY Rapporteur Mme Jannick DUCHET-RUMEAU Examinateur Mme Marie-France LACRAMPE Examinateur M. Caroll VERGELATI Invité M. Yvan CHALAMET Directeur de thèse 2 3 Je dédie ce travail à mes très chers parents 4 5 « Nulle pierre ne peut être polie sans friction, nul homme ne peut parfaire son expérience sans épreuve » Confucius 6 Avant-propos 7 Remerciements Ce travail de thèse a été réalisé au laboratoire Ingénierie des Matériaux Polymères (IMP) à l’université Jean Monnet - Saint Etienne. Je remercie profondément le professeur Christian CARROT, directeur du site, de m’y avoir accueilli. Je tiens à exprimer mes plus sincères remerciements à mon directeur de thèse, le docteur Yvan CHALAMET, pour la responsabilité qu’il m’a confiée, ses précieux conseils et son suivi quotidien qui m’ont permis de mener à bien cette thèse. J’aimerais remercier le Docteur Corinne JEGAT, ma tutrice pédagogique, pour ses conseils avisés, ses stratégies pédagogiques et son soutien qui m’ont permis de mener à bien mon projet d’enseignement. Je remercie également Madame Tatiana BUDTOVA et Monsieur Eric LEROY en acceptant d’être rapporteurs de mon travail de thèse. Ma gratitude va également aux autres membres du jury : Madame Jannick DUCHET-RUMEAU, Madame Marie-France LACRAMPE et Monsieur Caroll VERGELATI. Je remercie l’ensemble des membres du laboratoire IMP, pour l’échange, le partage et l’aide qu’ils m’ont apporté pour la réalisation de cette étude, dans une ambiance de travail chaleureuse et conviviale. Je souhaite remercier toute l’équipe administrative de l’université Jean Monnet pour leur gestion efficace notamment pour les déplacements effectués durant cette thèse. Je remercie également la personne en charge du service documentaire de la bibliothèque de l’université jean Monnet, Barbara BRUGEL, pour sa réactivité et son efficacité pour les commandes d’articles et de livres. Je tiens à remercier particulièrement mes collègues et mes ami(e)s de bureau « les bonnets rouges » avec qui j’ai partagé des moments joyeux, des discussions enrichissantes aussi bien sur des sujets scientifiques que sur des sujets de tous les jours, pour les sorties qu’on a fait ensemble, et je tiens à les nommer : Benjamin.M (le gamer), Olivier (le bricoleur), Benjamin.C (le chef des bonnets rouges) et Marie (la force tranquille). Avant-propos 8 Je remercie aussi les autres jeunes chercheurs du laboratoire (doctorants, post- doctorants et stagiaires) avec qui j’ai partagé des bons moments au laboratoire mais également à l’extérieur : Fanny, Alix, Dalila, Pierrick, Anouar, Kedafi, Kevin, Mouhamed, Marie, Meral, Imane, Béa, Yiping, Clément et Hichem. Enfin, je ne saurais terminer ces remerciements sans penser à ma famille, à mes ami(e)s et à toutes les personnes qui m’ont permis d’être aujourd’hui à ce niveau. Publications et communications 9 Publications et communications Publications: Bendaoud, A., & Chalamet, Y. (2013). Effects of relative humidity and ionic liquids on the water content and glass transition of plasticized starch. Carbohydrate Polymers, 97(2), 665-675. Bendaoud, A., & Chalamet, Y. (2014). Plasticizing effect of ionic liquid on cellulose acetate obtained by melt processing. Carbohydrate Polymers, 108(0), 75-82. Bendaoud, A., & Chalamet, Y. (2014). Effect of supercritical fluid on starch-based polymer proceed with ionic liquid. (Soumis 2014) Communications importantes: « Plasticizing effect of ionic liquid on cellulose acetate obtained by melt processing » A. Bendaoud, Y. Chalamet. Communication orale à la Journée Scientifique LIPs et Biomatpro-Sophia-Antipolis, Nice, France, Avril 2014. « Effet de l’humidité relative et de la concentration du liquide ionique sur l’absorption en eau et la transition vitreuse de l’amidon thermoplastique » A. Bendaoud, Y. Chalamet. Communication orale à la conférence du Groupe Français d'études et d'applications des Polymères (GFP), Roubaix, France, Novembre 2013. « Effects of relative humidity and ionic liquids on the water content and glass transition of plasticized starch » A. Bendaoud, Y. Chalamet. Communication orale à l’EPF Europolymer Conference 2013 (EUPOC 2013)-Italy, Septembre 2013. «Thermoplastification de l’amidon par les liquides ioniques» A. Bendaoud, Y. Chalamet. Communication orale à la Journée Scientifique du GDR LIPS-Tours, France, Février 2013. Table des matières 11 Table des matières INTRODUCTION GENERALE ............................................................................15 CHAPITRE 1 : BIBLIOGRAPHIE .....................................................................19 I. L’Amidon .............................................................................................21 1. L’amidon natif ....................................................................................21 1.1. L’amylose ...................................................................................23 1.2. L’amylopectine ............................................................................24 1.3. Grain semi-cristallin .....................................................................25 2. L’amidon thermoplastique ...................................................................27 2.1. Les plastifiants de l’amidon ..........................................................28 2.2. Techniques de mise en forme de l’amidon ....................................31 a. Voie solvant ..............................................................................31 b. Voie fondue ...............................................................................33 3. Propriétés des amidons thermoplastiques ............................................36 3.1. Propriétés thermiques et structurelles ..........................................36 a. Les transitions thermiques de l’amidon thermoplastique ...............36 b. La cristallinité de l’amidon thermoplastique .................................40 3.2. Propriétés mécaniques de l’amidon thermoplastique ......................42 II. Acétate de cellulose ..........................................................................45 1. Synthèse de l’acétate de cellulose .......................................................46 2. Plastification de l’acétate de cellulose ..................................................49 3. Caractéristiques et propriétés de l’acétate de cellulose .........................51 3.1. Propriétés thermiques et thermomécaniques ................................51 3.2. Propriétés mécaniques ...............................................................56 3.3. Biodégradabilité ..........................................................................59 a. Biodégradation aérobie ..............................................................59 b. Biodégradation anaérobie ..........................................................60 c. Le compostage industriel ............................................................61 III. Les liquides ioniques ......................................................................62 1. Définition ..........................................................................................62 2. Historique .........................................................................................63 3. Propriétés des liquides ioniques ..........................................................64 4. Les chalenges des liquides ioniques ....................................................68 IV. Interactions des liquides ioniques avec les polymères ................69 1. Les liquides ioniques et l’amidon .........................................................69 1.1. Les liquides ioniques comme solvants de l’amidon .........................69 1.2. Fonctionnalisation de l’amidon .....................................................72 Table des matières 12 1.3. Plastification de l’amidon par les liquides ioniques ...........................73 2. Les liquides ioniques et l’acétate de cellulose ........................................77 2.1. Les liquides ioniques et la cellulose ................................................77 2.2. Fonctionnalisation de la cellulose ...................................................79 2.3. Interactions des liquides ioniques avec l’acétate de cellulose ...........81 V. Le CO2 supercritique ..........................................................................85 1. Définition de l’état supercritique ...........................................................85 2. Propriétés physico-chimiques du CO2 supercritique ...............................87 2.1. Pouvoir solvant du CO2 .................................................................89 2.2. Polarité et viscosité du CO2 ............................................................90 2.3. Diffusivité du CO2 ..........................................................................90 3. Interactions polymère - CO2 supercritique ............................................91 3.1. Solubilité du CO2 supercritique dans les polymères .........................91 a. La sorption du CO2 dans les polymères ........................................91 b. Mesure de la solubilité du CO2 dans les polymères ........................94 3.2. Le gonflement des polymères par le CO2 supercritique ...................94 3.3. Propriétés des polymères sous l’effet du CO2 supercritique .............95 a. Effet du CO2 dissous sur la viscosité du polymère .........................95 b. Effet du CO2 dissous sur la transition vitreuse du polymère ...........96 4. Systèmes composés de liquides ioniques - CO2 supercritique .................96 4.1. Solubilité du CO2 dans les liquides ioniques ....................................96 4.2. Solubilité des liquides ioniques dans le CO2 ....................................97 VI. Conclusion .........................................................................................99 VII. Références bibliographiques ......................................................... 100 CHAPITRE 2 : Etude de la plastification de l’amidon par les liquides ioniques ..................................................................................................... 111 I. Effects of relative humidity and ionic liquids on the water content and glass transition of plasticized starch ................................................... 115 1. Introduction ....................................................................................... 117 2. Experimental ..................................................................................... 120 2.1. Materials .................................................................................... 120 2.2. Thermoplastic starch processing .................................................. 121 2.3. Characterization .......................................................................... 122 3. Results and discussion ........................................................................ 123 3.1. Starch plasticization by extrusion processing ................................. 123 3.2. X-ray diffraction of TPS ............................................................... 124 3.3. Water absorption ........................................................................ 127 3.4. Dynamic mechanical thermal analysis ........................................... 132 3.5. Differential scanning calorimetry .................................................. 134 Table des matières 13 4. Conclusion ........................................................................................ 137 5. References ....................................................................................... 139 6. Abstract ........................................................................................... 144 CHAPITRE 3 : Plastification de l’acétate de cellulose par les liquides ioniques ......................................................................................................... 145 I. Plasticizing effect of uploads/Litterature/ fluide-supercritique-et-liquide-ionique-comme-plastifiants-de-polym-x27-eres-biosourc-es-application-x27-a-l-x27-amidon-et-x27-a-l-x27-ac-etate-de-cellulose.pdf