Eco-conversion of agricultural lignocellulosic residues into biopolyester-based composite materials.
Eco-conversion de résidus lignocellulosiques de l'agriculture en matériaux composites durables à matrice biopolyester.
Résumé
This thesis aims at developing new fully biosourced and biodegradable composite materials from agricultural residues in the frame of the European project NoAW (https://noaw2020.eu). All the components are derived from agro-wastes: polyhydroxyalkanoates (PHA, bacterial biopolyester and biodegradable in natural conditions) produced by anaerobic digestion of agricultural effluents are used as matrix and vine shoot fibers as fillers. Biocomposites are prepared by melt extrusion. The objective of this thesis is to bring new knowledge on the relationships between the processes used to produce the fillers and the biocomposites, the resulting structure of biocomposites and their functional properties. Biocomposites are developed considering a balance between performance and environmental cost. For this purpose, the thesis focuses on 2 major scientific questions: (i) study of the impact of the filler/matrix interface on the functional properties of biocomposite materials via surface pre-treatments of lignocellulosic particles; (ii) study of the durability of such materials by assessment from the design of the environmental impacts. Thus, special attention is given to the filler/matrix interface, identified as a key factor for the final properties of the composite. A solvent-free surface pretreatment of fibers (chromatogeny) is adapted to modulate the filler/matrix interface. This new method of gas-phase esterification is first studied on micrometric particles of cellulose. Once the proof of concept is established, it is applied to lignocellulosic fibers that are more complex. The vine shoots, agricultural waste abundant in Occitania region, are studied as a potential resource for the production of fillers for composites. Once collected and dried, they are milled using dry fractionation to obtain micrometric sized particles. The variability of the raw material being one of the bottlenecks concerning the use of lignocellusoic biomass by manufacturers, different grape species over several years are studied. In a biorefinery approach, the extraction of molecules of interest, e.g. polyphenols, is considered before using the residue, namely exhausted shoots, as a reinforcing fillers. The environmental impact of the produced biocomposites is evaluated to guide strategic choices and obtain materials displaying a good balance between performance and environmental footprint. A life cycle assessment in the context of a food rigid tray application is carried out, collecting data from sector’s players. In addition, a study of the biodegradability of the final materials is conducted. This thesis encompasses multidisciplinary fields in order to have a decompartmentalized overview of the developed composite materials.
Cette thèse consiste à développer et étudier de nouveaux matériaux composites biosourcés et biodégradables à partir de constituants dérivés des déchets de l'agriculture dans le cadre du projet européen NoAW (https://noaw2020.eu). Tous les composants sont dérivés de sous-produits agricoles : des polyhydroxyalcanoates (PHA, biopolyester bactérien et biodégradable en conditions naturelles) produits par digestion anaérobie d’effluents agricoles sont utilisés comme matrices et des fibres de sarments de vigne comme charges de renfort. Les composites sont préparés par extrusion. L'objectif de cette thèse est d'apporter de nouvelles connaissances sur les relations entre le procédé de mise en œuvre des biocomposites, leur structure et leurs propriétés fonctionnelles. Les biocomposites sont développés en considérant une balance performance-coût environnemental. Pour cela, la thèse se focalise sur 2 questions scientifiques majeures : (i) étude de l’impact de l’interface charge/matrice sur les propriétés fonctionnelles des matériaux biocomposites via pré-traitements de surface des particules lignocellulosiques ; (ii) étude de la durabilité de tels matériaux par évaluation dès la conception des impacts environnementaux. Ainsi, une attention particulière est accordée à l’interface charge/matrice, identifiée comme un facteur clé influençant les propriétés finales du composite. Un prétraitement de surface des fibres sans solvant (chromatogénie) est adapté afin de moduler l’interface charge/matrice. Cette nouvelle méthode d’estérification en voie gazeuse est tout d’abord étudiée sur des particules micrométriques de cellulose. Une fois la preuve de concept établie, elle est appliquée aux fibres lignocellulosiques, plus complexes. Les sarments de vigne, déchets agricole abondant en région Occitanie, sont étudiés comme ressource potentielle pour la production de charges de renfort. Une fois collectés et séchés, ils sont broyés en voie sèche afin d’obtenir des particules micrométriques. La variabilité de la matière première étant un des verrous concernant l’utilisation de la biomasse par les industriels, différents cépages sur plusieurs années ont été étudiés. Dans une logique de bioraffinerie, l’extraction préalable de molécules d’intérêt tels que les polyphénols est envisagée avant d’utiliser le résidu, à savoir les sarments épuisés, comme charge de renfort. L’impact environnemental des matériaux développés est évalué afin de guider les choix stratégiques et obtenir le matériau alliant à la fois performance et faible empreinte écologique. Une analyse de cycle de vie dans le cadre d’une application de barquette rigide alimentaire est réalisée en réunissant des données des acteurs de la filière. De plus, une étude de la biodégradabilité des matériaux finaux est menée. Cette thèse englobe plusieurs composantes pluridisciplinaires afin d’avoir une vision d’ensemble et décloisonnée des matériaux composites mis au point.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)
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