LGP2 - Thèses soutenues, 2022

17 juin 2022 - Matériaux, Mécanique, Génie Civil, Électrochimie
Sujet
Valorisation des déchets de posidonie pour l'obtention de matériaux biosourcés à forte valeur ajoutée
Direction
Evelyne MAURET, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Latifa BERGAOUI, Professeur, INSAT, Tunisie ♦♦ Ramzi KHIARI, Chercheur, ISET Ksar Hellal, Tunisie
Résumé
Cette thèse vise à valoriser les déchets de Posidonia oceanica par la production de nanomatériaux biosourcés à haute valeur ajoutée. Dans ce contexte, l'accent est mis sur les micro/nanofibrilles de cellulose (M/NFC) très prometteuses en raison de leurs bonnes propriétés mécaniques, optiques et rhéologiques. L’inconvénient majeur de la production de M/NFC est la consommation énergétique élevée des procédés mécaniques de fibrillation et de microfibrillation. Ainsi, l'objectif de ce travail de recherche est de produire des micro/nanofibrilles de cellulose avec un impact environnemental réduit.
Tout d'abord, pour la microfibrillation, le procédé écologique d’explosion à la vapeur (combiné ou non avec l'oxydation par TEMPO comme prétraitement chimique) a été étudié. Cette voie a été comparée au broyage conventionnel pour la production de micro/nanofibrilles de cellulose blanchies de haute qualité.
Ensuite, le blanchiment et les prétraitements chimiques ont été éliminés de la production de M/NFC. Au cours de cette deuxième stratégie, l'utilisation de l'explosion à la vapeur et de l'extrusion bi-vis pour la fibrillation a été élucidée (processus alternatif de raffinage) afin de produire des micro/nanofibrilles de cellulose contenant de la lignine (LM/NFC).
Enfin, pour améliorer la qualité des M/NFC produites (en raison du caractère hydrophobe de la lignine), l'application de la sulfonation de la lignine a été étudiée (explosion à la vapeur in situ et comme prétraitement chimique doux après explosion à la vapeur). Par rapport aux méthodes conventionnelles de production de M/NFC, le blanchiment et les prétraitements chimiques ou enzymatiques ont pu être éliminés. Par conséquent, on suppose que la qualité du produit est différente, offrant diverses propriétés permettant son usage dans divers domaines. Cette stratégie permet de produire un matériau économique et écologique tout en tenant compte du rendement élevé des procédés, du recours limité aux produits chimiques et de la faible consommation énergétique lors de la production des LM/NFC.
Autres membres du jury
Naceur BELGACEM, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Younès MOUSSAOUI, Professeur, Université de Gafsa, Tunisie ♦♦ Gabriel PAËS, Directeur de Recherche, INRAE, Reims ♦♦ Sami BOUFI, Professeur, Université de Sfax, Tunisie ♦♦ Nicolas BROSSE, Professeur, Université de Lorraine

19 mai 2022 - Matériaux, Mécanique, Génie Civil, Électrochimie
Sujet
Nouvelle utilisation du peroxyde d'hydrogène pour convertir la pâte kraft blanchie en pâte à dissoudre et en cellulose microfibrillée
Direction
Nathalie MARLIN, Maître de Conférences HDR, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Gérard MORTHA, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2
Résumé
Ce projet étudie la conversion de la pâte Kraft blanchie en pâte à dissoudre et en cellulose microfibrillée via trois systèmes oxydants à base de peroxyde d’hydrogène :
(1) l'activation de H2O2 par des composés à base de cuivre pour produire des radicaux hydroxyles très oxydants,
(2) la combinaison d’une extraction alcaline avec l'oxydation au H2O2 pour éliminer les hémicelluloses, tout en oxydant la cellulose, et
(3) l’oxydation par le periodate de sodium suivie d'une oxydation au H2O2 pour enrichir la pâte en groupements carboxyles.
Les propriétés des pâtes à dissoudre sont difficilement atteintes, mais les traitements (1) et (3) conduisent à des microfibrilles de cellulose intéressantes avec une réduction de la consommation d'énergie.
Enfin, pour évaluer l’aptitude à la dissolution, une méthode utilisant la tricarbanilation de la cellulose a été développée. Cette méthode simple, reposant sur la mesure de la taille des particules en cours de dissolution par DLS, permet de discriminer des pâtes cellulosiques.
Autres membres du jury
Dmitry EVTUGUIN, Professeur, Universidade de Aveiro, Portugal ♦♦ Yahya HAMZEH, Professeur, Université de Téhéran, Iran ♦♦ Christine CHIRAT, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2

6 avril 2022 - Mécanique des Fluides, Énergétique, Procédés
Sujet
Intégration de fonctions électroniques imprimées sur des thermoplastiques 2D et 3D pour des applications radiofréquences
Direction
Nadège REVERDY-BRUAS, Maître de Conférences HDR, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Tan Phu VUONG, Professeur, Grenoble INP-Phelma / IMEP LAHC ♦♦ Denis CURTIL, Enseignant-chercheur, Grenoble INP-Pagora / LGP2
Résumé
Cette thèse s’inscrit dans le programme de recherche, initié en septembre 2015, de la Chaire d’Excellence industrielle MINT (innovating for molded & printed electronics) soutenue par la Fondation Grenoble INP et ayant pour mécène Schneider Electric. En effet, le groupe industriel s’est engagé avec deux laboratoires de recherche, le LGP2 et l’IMEP-LAHC, dans le développement de fonctionnalités électroniques sur des thermoplastiques 3D.
Objectif de la thèse : développer un procédé de fabrication additive afin de fonctionnaliser des thermoplastiques tridimensionnels dans le contexte de l’Internet des Objets et donc, de la communication sans fil.
La thèse s’articule autour de trois axes. Dans un premier temps, une étude bibliographique détaille les procédés plastroniques et une classification de ces derniers parmi les technologies de fabrication additives 3D maîtrisées est proposée. Des dispositifs réalisés par procédé plastronique sont présentés pour chacun des domaines abordés.
Puis, le procédé Jetting et sa caractérisation géométrique et électrique sont présentés. Les paramètres d’impression sont étudiés et des stratégies d’optimisation pour une impression robuste sont mises en place.
Enfin, à travers une caractérisation de lignes de transmission coplanaires en 2D et en 3D, les performances radiofréquences des impressions par Jetting sont évaluées. Des lignes coplanaires en 2D sont simulées et imprimées. Le procédé est optimisé en imprimant des plans de masse maillés. Des lignes coplanaires sont également imprimées sur des substrats 3D comportant des angles à 90° et à 130°, puis mesurées. Des applications radiofréquences sont ensuite détaillées sur des substrats 2D et 3D tels qu’une antenne LoRa, un tag RFID et un radôme pour antenne 5G montrant le potentiel d’applications de la technologie développée dans le domaine des antennes imprimées sur les objets 3D.
Autres membres du jury
Henry HAPPY, Professeur, Université de Lille ♦♦ Fabien FERRERO, Professeur, Université Côte d'Azur ♦♦ Naceur BELGACEM, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Mohamed SAADAOUI, Maître de Conférences, Mines Saint-Etienne ♦♦ Philippe PASSERAUB, Maître de Conférences, HEPIA Campus Biotech, Suisse ♦♦ Cécile VENET, Materials Resilience Stream Leader, Schneider Electric ♦♦ Manuel FENDLER, Mechatronics Platform Manager, CEA Tech Grand Est

11 mars 2022 - Mécanique des Fluides, Énergétique, Procédés
Sujet
Couplage raffinage, traitements chimiques et enzymatiques pour une meilleure purification et dissolution de la cellulose
Direction
Jean-Claude ROUX, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Dominique LACHENAL, Professeur Émérite, Grenoble INP-Pagora / LGP2
Résumé
Dans cette étude, le raffinage mécanique a été utilisé en association avec une extraction alcaline à froid (CCE) et des traitements à la xylanase. Le but était d’augmenter l'accessibilité des agents chimiques et enzymatiques dans les régions de la fibre difficiles à atteindre et donc d’obtenir une extraction plus complète des xylanes, et en même temps d’améliorer la réactivité de la pâte pour sa dissolution.
La première partie a examiné les changements morphologiques résultant du raffinage mécanique avec trois technologies différentes (pile Valley, PFI et raffineur à disques pilote) et l'impact sur l'élimination des hémicelluloses lors de la réalisation des traitements CCE et xylanase. La corrélation entre la modification des fibres induite par le raffinage, à savoir l'augmentation de la valeur de rétention d'eau (WRV), l’accroissement de la surface spécifique, le raccourcissement des fibres, la génération de fines, et les performances de la CCE a été établie. À une concentration de soude dans la CCE de 100 g/L, l'élimination des xylanes pour la pâte raffinée dans la pile Valley, le PFI et le raffineur à disques a atteint 84 %, 82 % et 79 %, respectivement. Ceci correspond à 3,3 %, 3,6 % et 4,3 % de xylane résiduel dans la pâte extraite, à partir de 20 % dans la pâte kraft de référence, soit des taux inférieurs d’environ 50% par rapport à ceux dans la pâte non raffinée. Bien que les performances des raffineurs de laboratoire soient supérieures à celles du raffineur à disques pilote, la différence entre ces technologies est marginale. Par conséquent, les risques associés à un passage à l’échelle industrielle seraient minimes
Pour améliorer encore les performances d'extraction de la CCE, certaines stratégies ont été examinées dans la deuxième partie de cette étude. Une des plus intéressantes a consisté à réaliser un raffinage/CCE simultané sur la pile Valley et le raffineur PFI. L’extraction des xylanes est encore améliorée à tel point que l’on peut appliquer une CCE à 60 g/L NaOH (au lieu de 100 g/L) et atteindre près de 80% d’élimination, ce qui réduit considérablement la formation de cellulose II à performance identique
La troisième partie de cette thèse étudie l'influence du traitement d'élimination des hémicelluloses sur la réactivité de la pâte résultante. La réactivité des pâtes extraites a été évaluée sur la base du degré de gonflement dans NaOH et dans une solution diluée de cupriéthylène diamine (CUEN), de la solubilité dans une solution à 8 % de NaOH à -10 °C et de la réactivité Fock. Le résultat obtenu a montré que les stratégies d'élimination des hémicelluloses qui incluaient le raffinage mécanique conduisent à une meilleure réactivité de la pâte. Le meilleur résultat a été obtenu avec une pâte raffinée extraite à la soude à 6 % (ne contenant pas de cellulose II). De plus, les réactivités Fock mesurées, allant de 60 à 70 %, dépassent celle d’une pâte à dissoudre de référence obtenue par le procédé péhydrolyse- kraft. Les bonnes corrélations entre le gonflement de la pâte, la solubilité dans la soude caustique et la réactivité Fock suggèrent que ce dernier test pourrait être remplacé par des mesures beaucoup plus simples de gonflement et de solubilité dans la soude.
Dans la dernière partie de cette étude, les xylanes dissoutes dans la solution de CCE à 6% et 10% ont été récupérées Le DPn moyen varient de 70 à 177. Les DP des xylanes extraits de la pâte à papier après raffinage présentent une valeur plus élevée que pour la pâte non raffinée.
En conclusion, les résultats montrent que la production de pâte à dissoudre à partir de pâte kraft blanchie de feuillus conventionnelle est réalisable avec l'utilisation de technologies existantes (CCE, raffinage). Cela représente un avantage majeur puisqu'une usine de pâte kraft pourrait choisir de passer facilement de la production de pâte à papier à celle de pâte à dissoudre et vice versa, selon les conditions du marché.
Autres membres du jury
Gérard MORTHA, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Maria Angels PELACH, Professeur, Universitat de Girona, Espagne ♦♦ Pierre-Yves PONTALIER, Maître de Conférence HDR, Toulouse INP - ENSIACET ♦♦ Stéphane GRELIER, Professeur, Bordeaux INP - ENSCBP

1^er mars 2022 - Matériaux, Mécanique, Génie Civil, Électrochimie
Sujet
Préparation de matériaux biosourcés à partir de nano-polysaccharides et de particules de lignine pour des applications d’emballage alimentaire
Direction
Julien BRAS, Maître de Conférences HDR, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Orlando J. ROJAS, Professeur, Université de Colombie Britannique, Canada ♦♦ Bruno D. MATTOS, Post-doctorant, Université d'Aalto, Finlande ♦♦ Naceur BELGACEM, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2
Résumé
Objectif de ce projet : mieux comprendre les interactions entre plusieurs matières biosourcées – la cellulose, la chitine et la lignine – qui sont les polymères les plus abondants pouvant être extraits de la nature. Les fibres de cellulose et de chitine peuvent être fibrillées mécaniquement pour former des nanofibres stables en suspension et des (nano)particules de lignine et de cire peuvent être préparées. Ces biocolloïdes ont été étudiés séparément mais leurs interactions sont encore méconnues. Or, pour disposer à l’avenir de matériaux entièrement biosourcés, il est important de comprendre le comportement de ces colloïdes mais également leurs interactions. De plus, chacun d’eux présente un grand intérêt pour la fabrication d’emballages alimentaires. En effet, les nanofibres de cellulose et de chitine forment des films résistants dotés de propriétés barrière à l’oxygène alors que les particules de lignine ont des propriétés antioxydantes et absorbent les rayons UV et celles de cire présentent un caractère hydrophobe.
La première partie du projet se concentre sur la fabrication des biocolloïdes, notamment de nanofibres de chitine provenant de déchets de crevettes ou d’insectes. Des propriétés mécaniques prometteuses ont été obtenues à partir de films de nanofibres de cellulose et de chitine fibrillées ensemble et extraites de déchets d’élevage d’insectes.
Ensuite, une nouvelle méthode de préparation de particules de lignine en présence de nanofibres de cellulose et de chitine a été étudiée. L’attraction électrostatique existant entre les nanofibres de chitine et les particules de lignine a permis d’obtenir des films avec une répartition homogène des particules.
Enfin, les différentes interactions entre les colloïdes ont servi à préparer des films multicouches aux multiples propriétés barrière : à l’oxygène, la vapeur d’eau, la graisse et aux rayons UV.
Cette thèse améliore la connaissance des interactions de ces biocolloïdes et comment utiliser ces derniers afin de fabriquer des films totalement biosourcés fonctionnels pour obtenir des emballages barrière alimentaires.
Autres membres du jury
Alain DUFRESNE, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Aji MATHEW, Professeur, Université de Stockholm, Suède ♦♦ Véronique COMA, Maître de Conférences, Université de Bordeaux ♦♦ Susana DE MATOS FERNANDES, Maître de Conférences, Université de Pau et des Pays de l’Adour

9 février 2022 - Matériaux, Mécanique, Génie Civil, Électrochimie
Sujet
Formulation d'un biocomposite thermodurcissable à base de poly (furfuryl alcool) et de cellulose pour le procédé d'impression 3D
Direction
Davide BENEVENTI, Directeur de Recherche CNRS, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Didier CHAUSSY, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2
Résumé
Au cours des deux dernières décennies, la fabrication additive est devenue une technologie révolutionnaire. Historiquement, la stéréolithographie est la première technique utilisée en impression 3D, suivie plus tard par d’autres procédés dont l'écriture directe à l'encre. Elle permet d’imprimer des matériaux comme la céramique, les pâtes de ciment et, plus récemment, les résines thermodurcissables pétro-sourcées.
Dans un contexte où le développement durable constitue un sujet clé, cette thèse porte sur la création d’une nouvelle encre imprimable biosourcée en utilisant l’approche de la fabrication additive. Cette encre est composée d'un mélange de résine furanique biosourcée, de charges cellulosiques et, éventuellement, de nanotubes de carbone. La résine thermodurcissable assure la stabilité dimensionnelle, les particules de cellulose permettent la modification des propriétés rhéologiques et les nanotubes de carbone augmentent la conductivité électrique.
Les propriétés rhéologiques ont été préalablement optimisées pour aboutir à une encre imprimable, compatible avec la technique d’écriture directe à l’encre, caractérisée par un comportement rhéofluidifiant et un seuil d’écoulement élevé supérieur à 10⁵ Pa. A posteriori, les composites réticulés en résultant ont été largement caractérisés, mettant en évidence une stabilité thermomécanique élevée qui permet d’atteindre une température de mise en œuvre du matériau allant jusqu’à 200°C.
Le procédé DIW et l'étape de réticulation ont été étudiés et optimisés afin d’obtenir une meilleure qualité d'impression avec une excellente cohésion inter-couches.
Enfin, pour surmonter certains défis rencontrés au cours de l’impression de la pâte, une stratégie de réticulation in situ a été implémentée sur une imprimante 3D conçue dans le cadre de cette thèse et équipée d’une chambre d’impression thermo-régulable entre 30°C et 250°C.
Autres membres du jury
Christine CHIRAT, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Antoine LE DUIGOU, Maître de Conférences, Institut de Recherche Dupuy de Lôme, Lorient ♦♦ Alice MIJA, Professeur, Université Côte d'Azur ♦♦ Naceur BELGACEM, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Roberta BONGIOVANNI, Professeur, Politecnico di Torino, Italie ♦♦ Alessandro GANDINI, ancien Professeur des Universités

28 janvier 2022 - Matériaux, Mécanique, Génie Civil, Électrochimie
Sujet
Modification de surface de la cellulose et des nanocelluloses par des procédés verts innovants
Direction
Naceur BELGACEM, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Julien BRAS, Maître de Conférences HDR, Grenoble INP-Pagora / LGP2
Résumé
De nos jours, les nanocelluloses sont l’une des priorités de la bioéconomie européenne : en témoignent les nombreux investissements industriels du secteur et la multiplication des revues scientifiques publiées chaque année. Le greffage d’une fonction chimique sur ces nano-éléments leur confère de nouvelles fonctions attractives comme le montre le développement des nanocelluloses ioniques.
La préparation de ces matériaux reste toutefois problématique quand il s’agit de passer à une échelle industrielle pour des raisons de coût et/ou de toxicité des réactifs et des solvants. C'est pourquoi l'utilisation de solvants eutectiques profonds (DES) et des principes de la mécanochimie ont été des pistes innovantes étudiées dans ces travaux de thèse pour l'obtention de nanocelluloses.
Cette étude a confirmé la possibilité d'extraire des nanocristaux de cellulose (CNC) fonctionnalisés en une étape à partir de deux DES composés de chlorure de choline avec de l'acide citrique ou oxalique. Un plan d'expérience a permis l'optimisation de ce procédé et les résidus cellulosiques ont pu être valorisés pour fabriquer des nanofibrilles de cellulose (CNF) dans un concept de bioraffinerie, transformant ainsi plus de 95 % de la cellulose en nanocellulose.
L'impact de la mécanochimie sur les matériaux cellulosiques a également été confirmé par une dégradation de la cristallinité et du degré de polymérisation. Ce procédé sans solvant et sans catalyseur a permis l’estérification des nanocristaux de cellulose qui a été prouvée par des techniques de caractérisation chimique.
Finalement, un procédé innovant a permis la production de nanocristaux de cellulose fonctionnels avec un très fort rendement.
Autres membres du jury
Wim THIELEMANS, Professeur, KU Leuven, Belgique ♦♦ Evelina COLACINO, Maître de Conférences, Université de Montpellier  ♦♦ Etienne FLEURY, Professeur, INSA Lyon ♦♦ Evelyne MAURET, Professeur, Grenoble INP-Pagora / LGP2

20 janvier 2022 - Optique et Radiofréquences
Sujet
Système passifs radiofréquences innovants transparents hybrides de nanocelluloses et nanofils d'argent
Direction
Tan Phu VUONG, Professeur, Grenoble INP-Phelma / IMEP LAHC ♦♦ Julien BRAS, Maître de Conférences HDR, Grenoble INP-Pagora / LGP2 ♦♦ Aurore DENNEULIN, Maître de Conférences, Grenoble INP-Pagora / LGP2
Résumé
Les systèmes de télécommunication ont fortement évolué ces dernières années pour répondre aux exigences de l’Internet des Objets, des bâtiments ou des emballages intelligents. Ces nouveaux dispositifs nécessitent de la flexibilité et de la transparence pour faciliter leur intégration dans les objets du quotidien. L’électronique imprimée, qui met en œuvre des encres fonctionnelles par procédés d’impression, rend les systèmes radiofréquences flexibles et performants. Le développement récent des encres conductrices transparentes ouvre de nouvelles voies de conception et d’intégration.
Cette thèse porte sur le développement de systèmes radiofréquences (RF) passifs et transparents à l’aide de procédés d’impression tels que la sérigraphie. Pour atteindre cet objectif, trois stratégies sont proposées.
La première stratégie consiste à ouvrir le design de l’antenne (maillage) afin de laisser passer la lumière au travers du dispositif. L’impact de la géométrie de maillage des antennes dipôles imprimées par sérigraphie a été examinée. Une seconde étude a été réalisée sur l’influence de l’ouverture de maille sur les propriétés optiques et RF d’antennes Coplanaire à Guides d’ondes (CPW).
La deuxième stratégie porte sur le développement d’une encre conductrice transparente répondant aux exigences des applications RF. Les encres transparentes commerciales actuelles ne présentent pas de niveau de conductivité électrique suffisant pour produire des dispositifs RF efficaces. Lorsqu’ils sont organisés sous forme de réseau, les nanofils d’argent présentent d’excellentes propriétés de conduction et de transparence. Selon de récents travaux, placés en synergie avec la nanocellulose, polymère biosourcé et renouvelable, ils permettent d’obtenir des propriétés optiques et électriques prometteuses en couches minces imprimées par sérigraphie. L’optimisation de la formulation a ainsi permis d’obtenir une encre conductrice compatible avec les spécifications RF présentant une résistance surfacique de 2 Ω.sq-1 pour une transparence de 72 %.
Enfin, la troisième stratégie repose sur l’utilisation des deux stratégies précédentes.
Ces résultats prometteurs ouvrent la voie vers l’intégration de dispositifs RF transparents pour les secteurs de la communication, du smart packaging et ou encore des bâtiments connectés.
Autres membres du jury
Xavier CASTEL, Professeur, Université de Rennes 1 ♦♦ Evangéline BENEVENT, Maître de Conférences, Aix-Marseille Université ♦♦ Ke WU, Professeur, Polytechnique Montréal, Canada ♦♦ Aline ROUGIER, Directeur de Recherche, CNRS ♦♦ Yves GROHENS, Professeur, Université Bretagne Sud ♦♦ Dominique RAULY, Maître de Conférences, Université Grenoble Alpes ♦♦ Erika VANDELLE, Ingénieur de Recherche, Thales ♦♦ Gaël DEPRES, Chief Central R&D Manager, Arjowiggins France