MATERIAUX ET MOLECULES XYLOSOURCES
Les travaux réalisés au sein de l’équipe MMX s’inscrivent dans la logique et dans les enjeux de la bioéconomie et de l’économie circulaire de la filière forêt-bois à travers les applications qui en découlent, aussi bien dans l’élaboration de matériaux biosourcés originaux, que dans celui de la conception de petites molécules d’origine renouvelable.
Matériau Bois et matériaux dérivés
Connaissances de base du matériau bois :
Les travaux réalisés au sein de l’équipe MMX visent d’une part à mieux connaitre les propriétés de base du bois par une caractérisation complète de ce matériau, sous tous ses aspects : variabilité, anatomie du bois, durabilité naturelle, propriétés physiques, mécaniques, composition chimique de la biomasse lignocellulosique de l’échelle moléculaire (extractibles) et macromoléculaire (lignine, cellulose et hémicellulose) jusqu’à l’échelle macroscopique (planche).
Procédés de traitement de préservation du matériau bois:
Ils portent également sur la modélisation, la conception et la mise au point de traitements de préservation ou de finition du matériau bois, soit par modification chimique, soit à l’aide de formulations originales, ou encore par modification physique du bois natif ou issu du recyclage via un traitement thermique. Les attendus sont d’améliorer la durabilité d’essences non durables ou à croissance rapide pour des applications dans le domaine des matériaux mais aussi pour le pré-traitement énergétique. D’autres travaux s’intéressent à la conception de produits de collage mais également à la fonctionnalisation du matériau bois pour produire des matériaux originaux du type bois composites ou bioplastique.
1) Traitements chimiques non biocides – Chimie pour la protection du matériau bois
Cette thématique concerne le développement d’alternatives aux méthodes de préservation traditionnelles faisant appel à l’utilisation de produits biocides au travers du développement de méthodes dites « non biocides » basées sur la modification des constituants pariétaux du bois. Ces méthodes impliquent soit l’utilisation de traitements chimiques faisant appel à différentes résines polymérisables, soit l’utilisation de traitements thermiques réalisés sous atmosphère inerte dans une gamme de températures comprises entre 180 et 220°C. Dans les deux cas, nos travaux concernent aussi bien l’effet des traitements développés et des paramètres du procédé sur la composition chimique du bois, que l’étude des propriétés conférées au matériau. Une voie particulièrement prometteuse concerne le développement de traitements mixtes associant traitements thermiques et de traitements de modification chimique. Nous avons pu montrer qu’il était possible de développer des traitements totalement biosourcés n’impliquant aucuns biocides capables non seulement d’améliorer la stabilité dimensionnelle du bois, mais aussi de rendre le matériau durable vis-à-vis de l’attaque des champignons et des termites. Ces travaux font l’objet de collaborations internationales importantes avec différentes Universités allemandes (Göttingen et Eberswalde) ainsi qu’avec l’IPB en Indonésie dans le cadre de la valorisation d’essences de plantation à croissance rapide présentant de faibles propriétés technologiques (stabilité dimensionnelle et durabilité naturelle). D’autres travaux ont permis de développer des collaborations avec l’Université fédérale du Parana au Brésil à travers la mise au point de traitements associant les tanins. Cette thématique fait également l’objet de différents partenariats industriels.
2) Bois traité thermiquement : optimisation et contrôle du traitement thermique du bois par torréfaction.
Ce projet s’inscrit dans la production de matériaux bio-sourcés, biodégradables, pour remplacer les bois traités par des biocides. Ce procédé de production, à faible impact environnemental, est connu depuis les années 1980 ; une demi-douzaine de technologies a été développée. Malgré cet essor marqué, ce produit peine à gagner des parts de marché sur celui des bois imprégnés dont il vise la substitution. Cela peut s’expliquer par la mauvaise maîtrise du processus de transfert thermique, la mauvaise connaissance du processus de thermodégradation (incapacité de déterminer le temps du traitement) et l’impact de l’intensité de traitement sur les nouvelles propriétés conférées qui peut générer un matériau de mauvaise qualité. D’autre part, cette filière industrielle est actuellement sans aucun dispositif de contrôle et de conduite des fours. Notre démarche vise à lever les verrous technologiques et scientifiques. Dans le passé, nous avons largement étudié les relations entre essences, temps, température, vitesse de montée en température, nature de l’atmosphère, mode de transfert thermique, sur la thermodégradation et sur la durabilité conférée. Nous avons également exploité un modèle existant pour simuler nos travaux. L’approche modèle que nous proposons doit permettre de prédire, sur site industriel, le temps de traitement et de maîtriser la qualité du produit et son homogénéité. Les travaux actuels portent sur l’identification des chemins réactionnels de la thermodégradation, dans lesquels les minéraux naturels semblent jouer un rôle important. L’identification des cations et des anions ayant des propriétés de catalyseur ou d’inhibiteur, sur des plages de température séparées, est en cours d’analyse. De même, le rôle des produits de décomposition sur les biopolymères en cours de dégradation est étudié. L’élaboration d’un modèle original devrait permettre, en intégrant les teneurs en biopolymères et en minéraux naturels, d’avoir un outil de prédiction et de contrôle, sur une large plage de température, multi-essences, multi-échelle. En parallèle, des études sont menées pour intégrer dans des matériaux composites du bois traité thermiquement pour créer de nouveaux matériaux 100% biosourcés aux propriétés équivalentes au composite pétro-sourcé.
Nouveaux matériaux dérivés du bois : fonctionnalisation des polymères du bois.
Concernant la valorisation de la matière lignocellulosique comme les sciures ou chutes de scierie produites lors de la première transformation du bois, nous développons une thématique importante portant sur la conception de nouveaux bioplastiques totalement biosourcés. Pour cela, nous développons différentes méthodologies permettant de fonctionnaliser les polymères du bois s’inscrivant dans des approches de chimie verte en vue de leurs conférer des propriétés nouvelles comme par exemple des aptitudes au thermoformage. Ces travaux débutés, il y a quelques années seulement ont conduit au dépôt d’un brevet et à un programme de maturation avec la SATT Sayens. Parallèlement à ces travaux sur la conception de nouvelles matières plastiques issues de matières premières renouvelable, nous nous intéressons également à la fabrication de matériaux multi-plis à l’aide placages bois en collaboration avec différents partenaires industriels.
Molécules xylo-sourcées – Chimie issue du bois.
Développement de molécules originales à partir du bois – valorisation des extractibles
Il s’agit, dans ce cadre, de développer une chimie xylo-sourcée, en valorisant en particulier les extractibles, mais aussi les sucres potentiellement accessibles à partir de la déconstruction de la biomasse lignocellulosique, issus des co-produits (nœuds, sciure, écorce, dosses, délignures, etc) de l’industrie de transformation du bois. Ces différents composés peuvent être modifiés par hémisynthèse pour conduire à des molécules polyfonctionnelles. Le laboratoire est équipé de plateformes de synthèse, de réacteurs micro-ondes, de réacteurs sous pression ou encore de réacteurs semi-pilote. Cela doit permettre d’une part de donner une valeur ajoutée à ces connexes mais également de proposer des substituts biosourcés aux composés d’origine fossile ou de nouvelles molécules ayant de nouvelles propriétés dans les secteurs aussi variés que celui de la pharmacie, de la cosmétique, des bio-intrants, des mousses, des matériaux composites, ou de la protection du matériau bois. Une des thématiques porte en particulier sur la synthèse et la caractérisation des propriétés physicochimiques et biologiques de composés originaux ayant des propriétés d’autoassemblage, en l’occurrence par fonctionnalisation hémisynthétique d’extractibles polyphénoliques du bois.
