industrielle et son procédé de préparation

L'invention concerne un matériau microcellulaire, un procédé de préparation de ce matériau à partir de résidus de l'industrie papetière de faible valeur, ainsi que son utilisation pour la fabrication d'articles tels que des catalyseurs, des filtres ou des éléments absorbants.

Les matériaux microcellulaires selon l'invention sont des monolithes poreux de taille centimétrique dont la porosité se caractérise par la présence de cavités sphériques également appelées « cellules », qui ont un diamètre se situant généralement entre 1 et 100 pm, en particulier d'environ 2 pm à environ 50 μητι, et de préférence d'environ 5 pm à environ 20 pm. Ces cellules sont généralement toutes interconnectées avec leurs proches voisines par des ouvertures ou « fenêtres » de plus petite taille qu'elles. Ces fenêtres d'interconnexion sont de dimensions variables et ont un diamètre d'environ 0,5 à environ 10 pm en particulier d'environ 50 nm à environ 1000 nm, et de préférence d'environ 250 nm à environ 500 nm.

Les matériaux microcellulaires interconnectés selon l'invention ont une densité particulièrement faible de 0,02 à 0,2 g.cm ^"3 .

Les matériaux microcellulaires interconnectés existants sont généralement obtenus par le procédé polyHIPE (Polymérisation of a Hg/? internai Phase Emulsion). De tels matériaux sont, par exemple, décrits da ns la demande FR 2 932 184.

Le procédé polyHIPE consiste en la polymérisation d'une émulsion hautement concentrée qui est composée d'une phase interne dispersée dont le pourcentage volumique est supérieur à celui de la phase externe dispersante. Le pourcentage volumique de la phase interne dispersée doit théoriquement être supérieur ou égal à 74 % par rapport au volume total de l'émulsion. Ce seuil de 74 % correspond au volume maximal occupé par des gouttes sphériques uniformes de phase interne dispersée et rangées de telle sorte qu'elles ne subissent pas de déformation. Au-delà de 74 %, les gouttes sont comprimées les unes contre les autres. Dans le cas d'une émulsion présentant une large distribution de taille des gouttes (à savoir une émulsion polydisperse), le seuil pour obtenir, après polymérisation, une structure poreuse interconnectée peut être inférieur à la valeur théorique de 74 %.

La phase externe dispersante du procédé polyHIPE constitue la phase continue et comprend principalement des monomères pouvant polymériser ainsi qu'un agent tensioactif en solution dans un solvant. La phase interne dispersée est principalement constituée d'un solvant non miscible aux monomères et/ou au solvant de la phase continue.

Après polymérisation et élimination du solvant de la phase interne dispersée, on obtient des matériaux microcellulaires interconnectés.

Compte tenu de leur structure et de leurs propriétés physiques, les matériaux microcellulaires interconnectés font l'objet d'un intérêt croissant et leur utilisation a été proposée dans de nombreux domaines, parmi lesquels la fabrication d'articles absorbants jetables, d'articles d'isolation thermique, acoustique, électrique ou mécanique, de membranes, de filtres ou encore de supports pour les encres, les colorants et les catalyseurs.

Cependant, les matériaux microcellulaires interconnectés, décrits à ce jour, sont obtenus à partir de précurseurs polymérisables principalement d'origine pétrolière ou d'origine synthétique, c'est-à-dire de matières premières non végétales et non renouvelables. Au vu de la diminution des réserves pétrolières mondiales, la valorisation de matières renouvelables pour les remplacer est devenue une priorité.

Il existe donc un besoin de disposer de matériaux microcellulaires interconnectés préparés à partir de matières premières renouvelables ainsi que de procédés de préparation de ces matériaux, notamment les procédés polyHIPE, qui utilisent des matières premières renouvelables. Il est également important de privilégier une démarche de développement durable en valorisant des déchets de l'industrie, et cela sans impact négatif sur d'autres utilisations prioritaires de telles ressources, telles que l'alimentation humaine ou animale et sans impact environnemental supplémentaire.

Le but de l'invention est donc de fournir un matériau microcellulaire interconnecté, de préférence à partir du procédé polyHIPE, tout en répondant à certaines préoccupations de développement durable et en conservant les propriétés avantageuses des matériaux polyHIPE actuels.

La présente invention concerne donc un procédé de préparation de ce matériau microcellulaire interconnecté utilisant comme matière première de la lignine. Cette matière première est issue de la biomasse lignocellulosique.

La biomasse lignocellulosique représente l'une des ressources renouvelables les plus abondantes sur terre. La lignine présente un intérêt important compte tenu de son abondance et fait l'objet de nombreuses recherches en vue de valorisations autres que ses utilisations actuelles en bois d'oeuvre et en combustibles.

De façon générale, la lignine résulte de la polymérisation oxydative d'au moins trois types d'alcools phénoliques : l'alcool p-coumarylique, l'alcool coniférylique et l'alcool sinapylique. Cependant, sa structure dépend de l'origine botanique, de l'âge de la plante, du type de tissu, des cellules et des couches pariétales dans lesquelles elle se trouve. Cette forte variabilité naturelle associée aux variations relevant des méthodes d'analyse rend difficile la présentation de la structure des lignines.

Ainsi, le terme lignine est un nom générique qui désigne un ensemble de polymères polyphénoliques de masse moléculaire élevée, de composition et de structure variable et complexe.

Dans les procédés chimiques de fabrication de la pâte à papier, les lignines sont séparées de la cellulose par des procédés chimiques qui modifient significativement leur structure. Les lignines résiduelles, appelées dès lors « lignines industrielles », sont présentes sous forme dissoute dans des liqueurs de cuisson qui peuvent également comprendre des monomères d'hémicelluloses. Ces liqueurs de cuisson sont soit fortement basiques lors du procédé Kraft, soit dans des solutions acides comprenant des dérivés sulfonés dans le cas du procédé au bisulfite. Les lignines industrielles peuvent être extraites et constituent un sous- produit représentant une quantité importante de déchets avec plus de 50 000 tonnes par an dans le monde.

Plusieurs types de lignine industrielle sont disponibles et peuvent être utilisés dans le cadre de l'invention, par exemple :

- la lignine Kraft qui est issue du procédé papetier du même nom et représente plus de 80 % de la production mondiale de papier ;

- les lignosulfonates issus du procédé au bisulfite ;

- les lignines organosolves résultant d'un procédé d'extraction utilisant des oxydants organiques ;

- les lignines issues des bioraffineries utilisant d'autres sources de biomasse que le bois pour la préparation de biocarburant tel que l'éthanol.

En particulier, la matière première du procédé selon l'invention est l'un des principaux sous-produits de l'industrie papetière, disponible actuellement en très grandes quantités et très faiblement valorisé, à savoir la « liqueur noire ».

La liqueur noire ou encore liqueur noire Kraft est la liqueur de cuisson issue de la fabrication du papier selon le procédé Kraft. Elle se présente sous forme d'une solution aqueuse fortement basique composée principalement des résidus de lignine Kraft et d'hémicellulose dissous de la pâte à papier, ainsi que d'autres composés chimiques inorganiques utilisés dans le procédé de dissolution. La liqueur noire est principalement utilisée localement comme combustible liquide pour fournir de l'énergie aux papeteries.

L'invention a donc pour objet un procédé de préparation d'un matériau microcellulaire interconnecté par polymérisation d'une émulsion concentrée comprenant :

- une phase externe dispersante comprenant, dans un solvant, un agent tensioactif et une solution comprenant au moins un monomère polymérisable contenu dans de la lignine industrielle, et

- une phase interne dispersée comprenant un solvant non miscible avec ledit monomère polymérisable et/ou avec le solvant de la phase externe dispersante. Par « au moins un monomère polymérisable contenu dans de la lignine industrielle », on entend un monomère polymérisable qui provient des lignines industrielles telles que définies précédemment.

Une fois que la phase externe dispersante de Pémulsion concentrée est polymérisée jusqu'à l'obtention d'un matériau solide, ce dernier est, de préférence, soumis à une ou plusieurs étape(s) de lavage et de séchage.

L'invention a également pour objet des matériaux microcellulaires interconnectés, susceptibles d'être obtenus par la polymérisation d'une émulsion concentrée comme décrit ci-dessus.

En particulier, le pourcentage volumique de la phase interne dispersée de l'émulsion concentrée est supérieur ou égal à environ 55 %. Ainsi, des matériaux microcellulaires présentant une structure poreuse interconnectée selon l'invention sont susceptibles d'être obtenus par polymérisation d'une émulsion concentrée comprenant un pourcentage volumique en phase interne dispersée inférieur au seuil théorique de 74 % des émulsions polyHIPE.

L'émulsion concentrée conforme à l'invention est, de préférence, une émulsion de type « huile-dans-eau » c'est-à-dire ayant pour phase externe dispersante une phase aqueuse et pour phase interne dispersée une phase organique.

La phase externe dispersante comprend une solution contenant les monomères contenus dans la lignine industrielle, telle que décrite plus haut, qui vont ensuite polymériser. Cette solution peut être une liqueur de cuisson, en particulier la liqueur noire elle-même. En effet, la lignine Kraft est le constituant principal de la liqueur noire, ce qui permet de l'utiliser de manière privilégiée comme constituant principal de la phase externe dispersante d'une émulsion concentrée de type huile-dans-eau selon l'invention, et cela sans modification préalable. Dans les cas où la solution contenant les monomères contenus dans la lignine industrielle est une liqueur de cuisson, en particulier la liqueur noire, le solvant de la phase externe dispersante est issu de cette liqueur.

En particulier, la matière première utilisée dans le cadre de l'invention est la liqueur noire comprenant notamment d'environ 20 % à environ 80 % massique de matière sèche, de préférence d'environ 40 % à environ 60 % massique de matière sèche. Le pourcentage massique préféré pour l'obtention de matériaux microcellulaires interconnectés selon l'invention est de 45 % massique en matière sèche dans la liqueur noire.

La phase interne dispersée de l'émulsion selon l'invention peut être formée de toute huile, et, en particulier, d'une huile soluble dans les solvants courants et peu coûteux afin de faciliter le lavage des solides. D'autres types d'huile peuvent être utilisés comme phase interne dispersée de l'émulsion selon l'invention. Ainsi, les huiles ayant un point de fusion entre environ 10°C et environ 40°C et de préférence proche de la température ambiante peuvent également être utilisées.

Lorsqu'on utilise la liqueur noire, les monomères susceptibles de polymériser proviennent de la lignine Kraft et des hémicelluloses.

Les monomères polymérisables contenus dans la phase externe dispersante peuvent être réticulés afin d'obtenir un solide rigide. La phase externe de l'émulsion concentrée peut alors comprendre, en outre, un agent réticulant, tels que, par exemple, l'épichlorhydrine et le chlorure de cyanuryle.

La réticulation permet de créer des liaisons covalentes entre les chaînes de polymères à l'aide des fonctions chimiques réactives présentes sur les chaînes de lignine (alcools aliphatiques et phénols) aussi bien que sur les chaînes d'hémicellulose éventuellement présentes (alcools aliphatiques seulement), en milieu basique aqueux et à une température modérée. Dans ces conditions, l'agent de réticulation préféré est l'épichlorhydrine. La réaction de l'épichlorhydrine avec la lignine Kraft de la liqueur noire présente l'avantage d'être catalysée en milieu basique fort à une température modérée de 60°C .

Conformément à l'invention, l'émulsion concentrée peut être polymérisée à une température inférieure à 100°C et de préférence d'environ 40°C à environ 80°C.

Pour former une émulsion huile-dans-eau stable, un agent tensioactif possédant un fort caractère hydrophile est, de préférence, ajouté à la phase externe dispersante. L'agent tensioactif peut ainsi être choisi parmi les tensioactifs hydrophiles anioniques et les tensioactifs hydrophiles non ioniques. On utilisera, par exemple, un agent tensioactif anionique, la tête hydrophile peut être constituée d'un groupe carboxylate, sulfate ou sulfonate. La partie apolaire peut être constituée d'une longue chaîne alkyle linéaire ou ramifiée, simple ou fonctionnalisée, ou une longue chaîne alkylbenzène linéaire ou ramifiée. Ainsi, le dodécylsulfate de sodium (SDS), le stéarate de triéthanolamine, le laurylsulfate de sodium et le laurylsulfate de triéthanolamine peuvent être, par exemple, utilisés pour former l'émulsion selon l'invention.

Préférentiellement, le SDS sera utilisé car il est peu coûteux et peut être utilisé dans une grande variété de formulations.

Conformément à l'invention, l'agent tensioactif peut être également choisi parmi des agents tensioactifs non ioniques. Une grande variété de tensioactifs à HLB (Hydrophilic-Lipophilic Balance, équilibre hydrophile/hydrophobe) élevé peut être envisagée, comprenant les polyéthoxylates d'alkyles, les alkylphénols éthoxylés, les polymères complexes d'oxyde de polyéthylène et de polypropylène, les octylphénols d'oxydes de polyéthylène, les nonylphénols d'oxydes de polyéthylène, les copolymères à bloc d'oxyde de polyéthylène et d'oxyde de polypropylène, les monoesters et polyesters d'acide gras du sorbitane, les monoesters et polyesters d'acides gras du glycérol, et leurs mélanges.

La morphologie poreuse des matériaux microcellulaires interconnectés selon l'invention peut être caractérisée par la porosité mais également par la distribution des diamètres moyens des cellules, le diamètre moyen des fenêtres des interconnexions ou encore la surface spécifique. L'analyse de cette morphologie poreuse comprend également la détermination de l'origine de la porosité qui provient de l'empreinte de la phase interne dispersée ou encore de l'élimination de l'eau éventuellement contenue dans la phase externe dispersante.

Un indicateur de la dispersion de la distribution des diamètres des cellules U peut notamment être utilisé pour déterminer si cette distribution est polydisperse ou encore monodisperse. Ce facteur U est défini par l'expression suivante :

U = (1/d*) x (∑|d* - di| x nidi ³ /∑nidi ³ )

où ri, est le nombre de cellules de diamètre d et d* le diamètre médian, à savoir le diamètre pour lequel la fraction volumique des tailles inférieures est égale à 0,5. Il est généralement considéré que l'on obtient une distribution monodisperse (c'est-à-dire où les diamètres de cellules sont homogènes) lorsque U est inférieur ou égal à 0,3.

Cette morphologie poreuse peut être, notamment, modulée en fonction de la nature et de la quantité de tensioactif ou encore du temps d'émulsification. Le matériau microcellulaire interconnecté selon l'invention présente, alors, une distribution polydisperse ou monodisperse.

Pour déterminer les paramètres influençant la morphologie poreuse, différentes techniques d'analyse sont utilisées. La Microscopie Electronique à Balayage (MEB) permet, à partir de microphotographies, d'établir une analyse statistique du diamètre moyen des cellules du matériau. La porosimétrie par intrusion au mercure permet, quant à elle, de déterminer la porosité du solide, le diamètre moyen des interconnexions ainsi que la densité apparente du solide final. Enfin, la mesure de la surface spécifique des matériaux microcellulaires interconnectés est réalisée par adsorption d'azote et traitement des données par la méthode BET (Brunauer-Emmet-Teller).

La modulation des paramètres expérimentaux permet ainsi d'obtenir des matériaux microcellulaires interconnectés selon l'invention ayant une distribution des diamètres des cellules plus ou moins large (monodisperse ou polydisperse).

L'invention concerne également les matériaux microcellulaires interconnectés, susceptibles d'être obtenus par le procédé décrit précédemment.

Ces matériaux microcellulaires interconnectés peuvent notamment avoir une porosité supérieure ou égale à environ 60 %. Cette valeur de porosité est suffisante pour obtenir des matériaux à haute perméabilité tout en conservant la tenue mécanique nécessaire pour les applications envisagées.

L'invention concerne également l'utilisation d'une émulsion concentrée comprenant au moins un monomère polymérisable contenu dans de la lignine industrielle, telle que définie précédemment, pour la préparation d'un matériau microcellulaire interconnecté. La lignine industrielle telle que décrite plus haut, peut, en particulier, être présente dans une liqueur de cuisson, notamment la liqueur noire. L'invention concerne également une émulsion utile pour la préparation d'un matériau microcellulaire tel que défini plus haut. Cette émulsion est de préférence monodisperse.

L'émulsion selon l'invention comprend :

- une phase externe dispersante comprenant, dans un solvant, un agent tensioactif et une solution comprenant au moins un monomère polymérisable contenu dans de la lignine industrielle, et

- une phase interne dispersée comprenant un solvant non miscible avec ledit monomère et/ou avec le solvant de la phase externe dispersante.

En outre, l'invention concerne tout article constitué de tout ou partie du matériau microcellulaire interconnecté décrit ci-dessus tel que, par exemple, un filtre, un article d'isolation thermique, un article d'isolation acoustique, un article d'isolation électrique ou mécanique, un article absorbant jetable, ou un support pour les encres, les colorants et les catalyseurs.

La présente invention est illustrée par les exemples décrits ci-après, auxquels elle n'est cependant pas limitée.

L'exemple 1 porte sur la préparation d'émulsions concentrées à base de liqueur noire.

L'exemple 2 décrit la préparation de matériaux microcellulaires interconnectés par la polymérisation de la phase externe dispersante des émulsions préparées dans l'exemple 1.

L'exemple 3 concerne l'analyse de la morphologie poreuse des matériaux microcellulaires obtenus dans l'exemple 2 notamment en fonction de la nature et de la quantité du tensioactif.

L'exemple 4 concerne l'analyse de la morphologie poreuse de matériaux microcellulaires obtenus dans l'exemple 2 en fonction du temps d'émulsification.

Exemple 1 : Préparation d'émulsions concentrées à base de liqueur noire

L'émulsification est réalisée à l'aide d'un système constitué d'un tube métallique de 10 mm de diamètre divisé en deux chambres reliées par un canal de petit diamètre (1 mm), et fermé aux deux extrémités par des pistons étanches. Le tube est immobilisé sur un banc. Un mouvement de va-et-vient régulier est appliqué aux pistons qui ferment le tube par un système bielle/manivelle actionné par un moteur. Le mélange à émulsifier est ainsi forcé de passer alternativement d'une chambre à l'autre à travers le petit canal de jonction. Cela crée un fort cisaillement du mélange à émulsifier favorable à l'obtention d'émulsions monodisperses.

Dans le tube en métal constituant la chambre de mélange du système émulsificateur, on introduit :

- la liqueur noire dont la teneur en matière sèche est connue (Smurfit Kappa Cellulose du Pin),

- l'agent tensioactif : Triton® X-405 (polyoxoéthylène (35)-octylphényl éther, HLB = 17,0) (Sigma Aldrich) ou le Cremophor® EL (huile de ricin polyéthoxylée (35), HLB = 16-18) (Sigma Aldrich),

- l'agent réticulant : l'épichlorhydrine (Acros Organics), et

- l'huile de ricin (Acros Organics) comme solvant de la phase interne dispersée.

Le tube en métal est fermé à l'aide des deux pistons et fixé à l'aide de vis sur le banc. Le mélange à émulsionner est ensuite agité par le mouvement alternatif des pistons pendant 80 min à vitesse constante de 15 tr/min.

Φ est défini comme étant le pourcentage volumique approché en phase interne dispersée dans l'émulsion.

Quatre types d'émulsion sont réalisés à l'aide de ce protocole. Les résultats sont rapportés dans le tableau 1 ci-dessous :

Tableau 1

Exemple 2 : Préparation de matériaux microcellulaires

Les émulsions de l'exemple 1 sont moulées dans des moules en polytétrafluoroéthylène (PTFE) de dimensions 2,80 cm x 4,30 cm hermétiques et sont portées à une température de 60°C pendant 48 h. Les solides rigides obtenus après cette étape sont placés avec leur moule dans un bain d'éthanol à température ambiante durant 24 h. Durant cette période, une partie de l'huile de ricin constituant la phase dispersée de l'émulsion et une partie de l'eau de la phase externe dispersante sont entraînées par l'éthanol. Ceci engendre une légère contraction du solide qui permet un démoulage aisé et sans risque de détérioration du solide. Une fois démoulé, les solides sont placés dans un extracteur de Soxhlet et extraits en continu à l'éthanol durant quatre jours afin d'éliminer totalement l'huile de ricin restant dans le solide. Une fois lavés, les solides sont placés dans un bain d'éther durant 24 h à température ambiante afin d'échanger l'éthanol contenu dans le solide par ce solvant plus volatil. Enfin, les solides sont séchés à l'air ambiant durant quatre jours.

Exemple 3 : Analyse de la morphologie poreuse des matériaux microcellulaires

Une analyse par porosimétrie par intrusion de mercure des matériaux microcellulaires interconnectés obtenus suivant l'exemple 2 est réalisée. Les résultats sont présentés dans le tableau 2 ci-dessous. Cette analyse permet de déterminer la porosité des matériaux obtenus, ainsi que le diamètre moyen des interconnexions ou « fenêtres ». Des images par MEB des matériaux préparés sont réalisées. Ainsi, la figure 1 correspond à l'image obtenue pour le matériau microcellulaire interconnecté A à base de 4 % massique de Triton X-405. La figure 2 correspond à l'image obtenue du matériau microcellulaire interconnecté C à base de 4 % massique de Cremophor EL.

Une analyse des images des matériaux microcellulaires interconnectés obtenus suivant l'exemple 2, complétée par une analyse statistique sur un échantillon significatif de cellules (entre 100 et 150 cellules) sont également réalisées. Cette étude permet de déterminer le diamètre moyen des cellules, ainsi que le facteur de dispersion de ces diamètres U. Les résultats sont présentés dans le tableau 2 ci-dessous.

Une analyse par adsorption d'azote suivie par le traitement des données selon la méthode BET a permis d'accéder aux surfaces spécifiques des matériaux microcellulaires préparés. Les résultats sont également présentés dans le tableau 2 ci-dessous.

Tableau 2

Les résultats montrent que la nature du tensioactif ainsi que sa quantité ont peu d'influence sur la porosité mesurée. Celle-ci est supérieure au pourcentage volumique de phase dispersée, Φ = 55 % pour l'ensemble des échantillons. Ce phénomène peut être attribué à la présence d'eau dans la liqueur noire constituant la phase externe dispersante aqueuse de l'émulsion. L'élimination de cette eau au cours du traitement des matériaux microcellulaires interconnectés participent à la porosité. Ainsi, de 10 à 15 % de la porosité des échantillons peuvent être attribués à la présence initiale de cette eau.

La nature du tensioactif a une influence sur le diamètre moyen des interconnexions. Celui-ci est de 300 nm pour les matériaux microcellulaires A et B, Triton® X-405, et de 800 nm pour les matériaux microcellulaires C et D, Cremophor® EL.

La nature et la proportion de tensioactif a également une influence sur le diamètre moyen des cellules et la dispersion des valeurs de ces diamètres. Le diamètre moyen des cellules est ainsi de 6 pm et la distribution est monodisperse pour le Triton® X-405, 4% et de 11 pm et la distribution est polydisperses pour le Triton® X-405, 8%. De même, le diamètre moyen des cellules est de 9 pm et la distribution monodisperse pour le Cremophor® EL 4% ; et de 16 pm et la distribution polydisperse pour le Cremophor® EL 8%.

Exemple 4 : Influence du temps d'émulsification

Deux autres émulsions, E et F, ont été préparées selon la même formulation que pour l'émulsion C de l'exemple 1 , avec des temps d'émulsification variables.

Les résultats sont les suivants :

Tableau 3

(*) Rapporté à la masse totale de phase externe dispersante

Les résultats montrent que le temps d'émulsification a une influence significative sur la morphologie du matériau microcellulaire obtenu.

Pour un même tensioactif, le Cremophor® EL, utilisé en même proportion 4%, la diminution du temps d'émulsification entraîne une diminution du diamètre moyen des cellules ainsi qu'une plus grande dispersion de ces valeurs (U augmente).