Filaments de cellulose – du laboratoire à la réalité

Martin Fairbank
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La société Produits Forestiers Résolu a récemment annoncé un investissement de 27 millions de dollars pour construire une usine de filaments de cellulose de 21 tonnes par jour dans son usine de papier de Kénogami, qui devrait démarrer en 2021.

Beaucoup de lecteurs ne savent probablement pas ce qu'est un filament de cellulose, alors je vais raconter comment ce produit à base de nanocellulose a été développé à partir d'une expérience de laboratoire vers 2008 chez FPInnovations à Pointe Claire, au Québec. Les propriétés de ce produit peuvent être mieux comprises en utilisant un peu de physique, de chimie et de mathématiques, et en pensant à la nature du fromage en ficelle!

Le bois est composé de fibres de cellulose que nous considérerons comme des cylindres de diamètre d et de longueur h pour les fins du petit problème mathématique à discuter dans quelques instants. Le procédé de mise en pâte kraft élimine la «colle» à base de lignine qui maintient les fibres ensemble dans un arbre et isole ces fibres qui, dans une fibre de bois mou typique, ont des dimensions d = 40 µm et h = 3 mm.

Dans le procédé de fabrication du fromage en ficelle, le fromage est tiré en ficelles faites de chaînes de protéines alignées et les «fibres» individuelles de fromage peuvent être facilement détachées du tube principal de fromage. De manière similaire, on épluche des filaments étroits de fibres de cellulose dans la fabrication de filaments de cellulose (FC). Pour notre problème mathématique, nous utiliserons d = 300 nm et h = 0.5 mm, bien qu'en réalité les filaments aient une gamme de dimensions assez large.

La pâte kraft de bois mou est souvent utilisée pour renforcer les pâtes plus faibles. Un exemple est son utilisation dans le papier tissu qui est principalement composé de fibres de bois dur plus faibles.

La physique

La physique des fibres nous enseigne qu'un rapport d'aspect élevé - le rapport de la longueur au diamètre - est l'un des critères clés pour le renforcement car il favorise le degré de liaison d'un réseau tout en offrant de la flexibilité, améliorant ainsi les propriétés mécaniques du réseau. Les FC ont un rapport d'aspect beaucoup plus élevé que les fibres de pâte kraft: en utilisant les dimensions ci-dessus, le rapport d'aspect est de 1667 pour les FC (0.5 × 10-3 m / 300 × 10-9 m) contre 75 pour la fibre kraft (3 ×10-3 m / 40 ×10-6 m), donc les propriétés de renforcement sont extraordinairement meilleures. 

La chimie

La cellulose est un polymère constitué d'unités de glucose (C6H12O6), et l'une de ses propriétés est sa capacité à former des liaisons hydrogène, en raison d'une attraction entre les atomes d'hydrogène chargés positivement et les atomes d'oxygène chargés négativement. Lorsqu'ils sont mélangés à d'autres matériaux contenant des groupes oxygène, les groupes –OH à la surface de la cellulose peuvent également former des liaisons hydrogène avec ces matériaux, ce qui retient le mélange ensemble. La disponibilité de groupes cellulose-OH à la surface de la fibre ou du filament (et non enfouis à l'intérieur) détermine son pouvoir de liaison.  

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Les maths

Ok, utilisons donc maintenant la géométrie apprise à l’école secondaire. Si le rayon d'un cylindre est r et sa longueur est h, son volume est , et sa surface est  (en ignorant la surface des deux extrémités, car h >> r). Le rapport surface / volume est donc  = 2/r. Lorsqu'une fibre kraft de 40 µm de diamètre est pelée en bandes de 300 nm de diamètre, la surface de la même quantité de cellulose augmente donc du rapport rKraft/rCF = 20 ×10-6 m / 150 ×10-9 m = 133, ce qui signifie que les FC ont 133 fois plus de liaisons OH à la surface de la cellulose pour le même poids de matière.

Les premières expériences

Au début des années 2000, FPInnovations avait pour projet de fabriquer du papier contenant des quantités élevées (jusqu'à 50%) de charges telles que du carbonate de calcium. La charge a tendance à s'interposer entre les fibres de cellulose et à empêcher qu'elles ne soient suffisamment proches pour former des liaisons hydrogène, de sorte qu'une des stratégies développées pour contrer cet effet a été de fabriquer des fibres «super-raffinée» à surface spécifique élevée. Des expériences ont été faits sur une suspension diluée de pâte kraft avec ou sans charge pendant plusieurs heures dans un mélangeur Waring (semblable à l'équipement que vous utiliseriez pour faire un smoothie!). Les résultats ont montré qu'une pâte à surface élevée pouvait être produite, avec des niveaux de résistance au renforcement sans précédent, mais les conditions étaient difficiles pour la fabrication à grande échelle, en raison de la nature de la méthode et du fait que le produit avait une teneur en eau très élevée.

MF 18mars20 3Le défi était de trouver un moyen de développer la surface des fibres en utilisant une technologie évolutive à faible teneur en eau finale. Le raffinage à disques est une technologie mature pour fabriquer la pâte mécanique de copeaux de bois, avec très peu d’eau ajoutée. Keith Miles et Reza Amiri, des experts en mise en pâte mécanique à FPInnovations, ont été donc ajoutés à l’équipe de Makhlouf Laleg et Xujun Hua, impliqués au projet antérieur. Une série d'expériences a été réalisée à l'aide d'un raffineur à disques pour traiter la pâte kraft à haute consistance. Le secret, révélé dans les brevets qui leur ont été accordés par la suite (brevet américain 9,051,684, entre autres), était de contrôler les conditions du procédé afin que les fibres ne soient pas substantiellement réduites en longueur, mais «pelées» longitudinalement, réduisant jusqu'à 1000 fois leur diamètre.  

Comme pour toute nouvelle technologie, le chemin entre le laboratoire et la commercialisation a été long. De nombreux autres chercheurs de FPInnovations ont travaillé sur la technologie au cours des années suivantes, travaillant non seulement à optimiser la technologie et à mesurer et contrôler les propriétés du nouveau matériau, mais également à explorer ses applications potentielles dans divers domaines. Les entreprises membres de FPInnovations ont les premiers droits d'utilisation de la technologie et, en 2014, un de ces membres, Kruger, a construit une usine de démonstration pour produire 5 tonnes par jour de FC dans son usine de Trois-Rivières (comme l'a rapporté LeMaitrePapetier en 2015) où le personnel de l’usine a entrepris d’apprendre les défis de la fabrication à grande échelle.

La société Kruger, un producteur de produits divers dans le domaine des pâtes et papiers, a pu développer un marché intérieur pour les FC au cours des dernières années. Par exemple, son usine de Bromptonville est en mesure d'intégrer les FC dans ses papiers d'emballage recyclés fabriqués avec du papier 100% post-consommation pour améliorer la résistance et la performance à un grammage inférieur. En 2019, avec l'aide d'un financement gouvernemental, Kruger a transformé l'usine en une installation commerciale d'une capacité nominale de 6000 tonnes / an capable de fonctionner en mode 24/7. Kruger a également exploré des marchés tels que les composites polymères, les produits en ciment et en béton, les cosmétiques, les peintures et les revêtements, les mastics et les adhésifs.

Pendant ce temps, les sociétés Résolu et Mercer, également membres de FPInnovations, ont formé en 2014 une coentreprise appelée Performance Biofilaments qui est, axée sur le développement d'applications commerciales pour les FC. Selon leur site Internet, ils ont développé des applications dans quatre domaines clés: le renforcement des bétons, mortiers et ciments; l’amélioration de la rhéologie des revêtements et des fluides industriels; le renforcement des non-tissés, des médias filtrants et des matériaux de construction; et le renforcement des polymères, composites et mousses.

Les filaments de cellulose sont fabriqués à partir de fibres de bois récoltées de manière durable et traitées mécaniquement sans produits chimiques ni enzymes, et l'énergie utilisée par les sites de Kruger et de Résolu est de l'hydroélectricité renouvelable, de sorte que les FC ont une faible empreinte carbone. En tant qu'additif durable et biosourcé qui permet de fabriquer des produits plus légers et à faible empreinte carbone pour de nombreuses applications diverses, les FC devraient avoir un bel avenir!


Martin Fairbank a travaillé dans le domaine de la foresterie pendant 31 ans, y compris de nombreuses années pour un producteur de pâtes et papier et deux ans avec Ressources Naturelles Canada. Détenteur d'un PhD en chimie et d'une expérience en amélioration de procédés, développement de produits, gestion d'énergie et de production rentable, Martin est actuellement un conseiller indépendant basé à Montréal. Il est également écrivain et a publié récemment Resolute Roots qui relate les 200 ans d'histoire de la compagnie Produits forestiers Résolu et de ses prédécesseurs.

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