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Multifunctional architectures based on carbon nanotubes and cellulose nanocrystals

By Jean-Bruno Mougel

Abstract

L’association de nanoparticules à propriétés complémentaires est une voie intéressante pour développer des architectures originales multifonctionnelles. Notre stratégie consiste à combiner la faculté de particules bio-sourcées, les nanocristaux de celluloses (NCC), à former des structures complexes, aux propriétés des nanotubes de carbones mono et multiparois (NTC). Leur association non covalente a pour but de conserver ces propriétés et de réaliser des émulsions de Pickering huile-dans-eau et des mousses par lyophilisation. Les dispersions en phase aqueuses de ces nanoparticules montrent des rendements importants atteignant jusqu’à 70 % de NTC dispersés. L’exploration des différents paramètres contrôlant la dispersion (concentration en NTC et en NCC, puissance des ultrasons et temps d’application) et de la morphologie des hybrides formés (par microscopie électronique et à force atomique) nous ont conduits à proposer un modèle de dispersion. Ces hybrides peuvent se positionner à l’interface huile/eau pour former des émulsions de Pickering. La présence de nano carbone ne modifie pas les caractéristiques morphologiques des émulsions, par contre, elle permet l’amélioration des propriétés rhéologiques. La lyophilisation de ces émulsions concentrées par centrifugation conduit à la formation de mousses solides de structure contrôlée. La porosité des mousses est déterminée dès l’étape de réalisation des émulsions. Les propriétés mécaniques et électriques restent peu améliorées par l’ajout de NTC. Nous attribuons ces faibles performances à la structure particulière des parois obtenues par alignement des NCC, sans pontage direct ni enchevêtrement.The association of nanoparticles with complementary properties is an interesting way to develop multifunctional original architectures. Our strategy consists in combining the ability of biosourced particles, the nanocrystals of celluloses (CNC), to form complex structures, with the properties of the single and multi-wall carbon nanotubes (CNT). Their non-covalent association aim is to preserve these properties and to realize oil-in-water Pickering emulsions and foams by freeze-drying. The aqueous dispersion of these nanoparticles shows high yields achieving as high as 70 % of dispersed NTC. The exploration of the various parameters controlling the dispersion (concentration of NTC and NCC, sonication time and power) and of the morphology of the hybrids (by electronic and atomic force microscopies) allow us to propose a quantitative model for the dispersion. These hybrids can also stabilize oil/water interface to form Pickering emulsion. Monodisperse distribution of micrometer-sized droplets is obtained. The addition of the NTC does not modify the morphology of the emulsion but improve their rheological properties. The freeze-drying of the concentrated emulsions produces solid foams with controlled structures. The porosity is determined during the step of emulsification. The mechanical and electrical properties show slight improvement by the addition of the NTC. We attribution these weak performance to the specific structure of the walls of the foams obtained by the alignment of the CNC weakly linked

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Year: 2016
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Provided by: Theses.fr
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