Advanced cellulose composites; preparation and properties

L'accumulation de déchets agricoles tels que la bagasse et le développement d’alternatives aux polymères issus de la pétrochimie ont reçu une attention croissante au cours des deux dernières décennies, due à l'augmentation de la population et à la préoccupation croissante pour la préservation de l'environnement. Cette étude tente de résoudre ces problèmes à l’aide de deux approches principales.La première est liée à des composites à base de papier et de liant naturel et la seconde est associée à la préparation et à la caractérisation de dérivés cellulosiques présentant des propriétés cristaux liquides. En ce qui concerne les composites à base de papier et de liant naturel, la modification par dénaturation d’isolat de protéines de soja (SPI), l'ajout d'acrylamide et le changement de pH améliorent certaines propriétés et rendent les SPI plus utiles et acceptables dans diverses applications. Des expériences préliminaires ont été menées pour déterminer la concentration optimale de SPI permettant d’obtenir des propriétés mécaniques et physiques maximales. Des concentrations de 0,5%, 2,5%, et 5% ont été utilisées et 2.5% correspond à la concentration optimale. Pour augmenter les propriétés adhésives du SPI, l’acrylamide a été utilisé comme un modificateur supplémentaire dans des proportions 1,5%, 2,5% et 5%. L’addition nucléophile de l'acrylamide aux chaînes de protéines en milieu alcalin améliore les propriétés de solubilité du SPI et augmente ses propriétés adhésives. L'effet supplémentaire de l'acrylamide sur le SPI est prononcé sur les propriétés mécaniques et physiques. Comme la charge nette du SPI peut être modifiée en faisant varier le pH du milieu aqueux, la corrélation entre les propriétés mécaniques et physiques des feuilles de papier et le pH du SPI a été étudiée. Les pH utilisés ont été 3, 5, 7 et 10, où le pH 5 est le point isoélectrique (IEP) du SPI.A ce pH, le nombre de charges positives et négatives est pratiquement identique. La seconde approche a consisté à préparer et caractériser une série de dérivés cellulosiques 4 - alkyoxybenzoyloxypropyl (ABPC-n). Ces dérivés ont été synthétisés par estérification d'hydroxypropylcellulose (HPC) avec un DS 3 par l'acide 4- alkoxybenzoic portant 1, 2, 3, 4, 7, 8, 10, 12 et 14 atomes de carbone dans la chaîne latérale. D'autre part, de la pâte debagasse a été préparée et caractérisée à partir bagasse égyptienne. L’Hydroxypropylation a ensuite été menée sur la cellulose obtenue et de l’HPC partiellement substituée a été obtenue. En outre, l'estérification de ce dernier avec des acides 4-alkyloxybenzoic portant 2, 10 et 12 atomes de carbone dans la chaîne latérale a été réalisée et les dérivés ont été désignés (ABPC-m). La structure moléculaire du HPC partiellement substitué et des deux esters (ABPC-n et-m ABPC) a été confirmée par spectroscopies infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) et 1H RMN. Les phases cristal liquide (LC) et les transitions de phases ont été étudiées par microscopie en lumière polarisée (PLM) et calorimétrie différentielle à balayage (DSC), respectivement. Pour étudier les propriétés lyotropiques, différentes concentrations de ces échantillons ont été dissous dans le diméthylacétamide (DMA) (20, 30, 40, 50 et 60% en poids) et la concentration critique a été déterminée par réfractométrie en mesurant l'indice de réfraction des solutions dans le DMA et en traçant l’évolution des indices de réfraction en fonction des concentrations. Pour ABPC-n, nous avons observé que les températures de transition vitreuse (Tg) et de compensation (Tc) diminuent avec la longueur de la chaîne alkoxy et que la gamme mésomorphique (Tm-Tc) diminue avec la longueur de la chaîne alkoxy.The present study deals with utilization of Egyptian bagasse in both conventional and non-conventional fields. The conventional application is devoted to papermaking, where bagasse pulp is the most appropriate pulp for this purpose due to the suitability of fiber length and high cellulose and hemicellulose contents. The non-conventional application is dedicated to the preparation of cellulosic derivatives having liquid crystalline properties.The first approach deals with using modified soy protein isolate (SPI) as binder for cellulosic fibers in paper composites. Modification of SPI was carried out through i) denaturation with urea and NaOH. ii) addition of acrylamide to the denatured SPI. iii) changing pH of SPI. These types of modification were used to improve the adhesion properties of SPI. Pronounced mechanical and physical properties of paper sheets filled with 0.5, 2.5 or 5% denatured SPI was obtained upon using 2.5%. The optimum condition of SPI addition was used in ii and iii modifications. The additional effect of acrylamide on SPI was pronounced where the mechanical and physical properties were enhanced. Correlation between the mechanical and physical properties of paper sheets with the pH of SPI was studied. The used pHs were 3, 5, 7 and 10.The results showed that the maximum breaking length was obtainedAbstract - xix -at the isoelectric point of SPI at pH 5 (at the isoelectric point (IEP) the number of positive and negative charges on the polyion is the same, giving a net charge of zero) and it began to decrease when the pH is increased to pH 10. Both the burst index and the tear index showed parallel trends.In the second approach, a series of 4- alkyoxybenzoyloxypropyl cellulose (ABPC-n) samples were synthesized via the esterification of hydroxypropyl cellulose (HPC) with 4-alkoxybenzoic acid bearing alkoxy chain with different lengths. On the other hand, cellulose was isolated in pure form from Egyptian bagasse pulp. Hydroxypropylation was then conducted on the isolated cellulose. 4-alkyoxybenzoyloxypropyl cellulose (ABPC-m) samples were synthesized via the esterification of the latter product with the same acid, bearing 2, 10 and 12 carbon atoms in the side chain and characterized.The molecular structure of both esters (ABPC-n and ABPC-m) was confirmed by Fourier transform infrared (FT-IR) and 1H NMR spectroscopy. The liquid crystalline (LC) phases and transition behaviors were investigated using polarized light microscopy (PLM), and differential scanning calorimetry (DSC), respectively. The lyotropic behavior of the derivatives was investigated in DMA solutions using PLM andAbstract - xx -the critical concentration was firstly determined via refractive index measurements

Advanced cellulose composites, preparation and properties

The present study deals with utilization of Egyptian bagasse in both conventional and non-conventional fields. The conventional application is devoted to papermaking, where bagasse pulp is the most appropriate pulp for this purpose due to the suitability of fiber length and high cellulose and hemicellulose contents. The non-conventional application is dedicated to the preparation of cellulosic derivatives having liquid crystalline properties.The first approach deals with using modified soy protein isolate (SPI) as binder for cellulosic fibers in paper composites. Modification of SPI was carried out through i) denaturation with urea and NaOH. ii) addition of acrylamide to the denatured SPI. iii) changing pH of SPI. These types of modification were used to improve the adhesion properties of SPI. Pronounced mechanical and physical properties of paper sheets filled with 0.5, 2.5 or 5% denatured SPI was obtained upon using 2.5%. The optimum condition of SPI addition was used in ii and iii modifications. The additional effect of acrylamide on SPI was pronounced where the mechanical and physical properties were enhanced. Correlation between the mechanical and physical properties of paper sheets with the pH of SPI was studied. The used pHs were 3, 5, 7 and 10.The results showed that the maximum breaking length was obtainedAbstract - xix -at the isoelectric point of SPI at pH 5 (at the isoelectric point (IEP) the number of positive and negative charges on the polyion is the same, giving a net charge of zero) and it began to decrease when the pH is increased to pH 10. Both the burst index and the tear index showed parallel trends.In the second approach, a series of 4- alkyoxybenzoyloxypropyl cellulose (ABPC-n) samples were synthesized via the esterification of hydroxypropyl cellulose (HPC) with 4-alkoxybenzoic acid bearing alkoxy chain with different lengths. On the other hand, cellulose was isolated in pure form from Egyptian bagasse pulp. Hydroxypropylation was then conducted on the isolated cellulose. 4-alkyoxybenzoyloxypropyl cellulose (ABPC-m) samples were synthesized via the esterification of the latter product with the same acid, bearing 2, 10 and 12 carbon atoms in the side chain and characterized.The molecular structure of both esters (ABPC-n and ABPC-m) was confirmed by Fourier transform infrared (FT-IR) and 1H NMR spectroscopy. The liquid crystalline (LC) phases and transition behaviors were investigated using polarized light microscopy (PLM), and differential scanning calorimetry (DSC), respectively. The lyotropic behavior of the derivatives was investigated in DMA solutions using PLM andAbstract - xx -the critical concentration was firstly determined via refractive index measurements.L'accumulation de déchets agricoles tels que la bagasse et le développement d’alternatives aux polymères issus de la pétrochimie ont reçu une attention croissante au cours des deux dernières décennies, due à l'augmentation de la population et à la préoccupation croissante pour la préservation de l'environnement. Cette étude tente de résoudre ces problèmes à l’aide de deux approches principales.La première est liée à des composites à base de papier et de liant naturel et la seconde est associée à la préparation et à la caractérisation de dérivés cellulosiques présentant des propriétés cristaux liquides. En ce qui concerne les composites à base de papier et de liant naturel, la modification par dénaturation d’isolat de protéines de soja (SPI), l'ajout d'acrylamide et le changement de pH améliorent certaines propriétés et rendent les SPI plus utiles et acceptables dans diverses applications. Des expériences préliminaires ont été menées pour déterminer la concentration optimale de SPI permettant d’obtenir des propriétés mécaniques et physiques maximales. Des concentrations de 0,5%, 2,5%, et 5% ont été utilisées et 2.5% correspond à la concentration optimale. Pour augmenter les propriétés adhésives du SPI, l’acrylamide a été utilisé comme un modificateur supplémentaire dans des proportions 1,5%, 2,5% et 5%. L’addition nucléophile de l'acrylamide aux chaînes de protéines en milieu alcalin améliore les propriétés de solubilité du SPI et augmente ses propriétés adhésives. L'effet supplémentaire de l'acrylamide sur le SPI est prononcé sur les propriétés mécaniques et physiques. Comme la charge nette du SPI peut être modifiée en faisant varier le pH du milieu aqueux, la corrélation entre les propriétés mécaniques et physiques des feuilles de papier et le pH du SPI a été étudiée. Les pH utilisés ont été 3, 5, 7 et 10, où le pH 5 est le point isoélectrique (IEP) du SPI.A ce pH, le nombre de charges positives et négatives est pratiquement identique. La seconde approche a consisté à préparer et caractériser une série de dérivés cellulosiques 4 - alkyoxybenzoyloxypropyl (ABPC-n). Ces dérivés ont été synthétisés par estérification d'hydroxypropylcellulose (HPC) avec un DS 3 par l'acide 4- alkoxybenzoic portant 1, 2, 3, 4, 7, 8, 10, 12 et 14 atomes de carbone dans la chaîne latérale. D'autre part, de la pâte debagasse a été préparée et caractérisée à partir bagasse égyptienne. L’Hydroxypropylation a ensuite été menée sur la cellulose obtenue et de l’HPC partiellement substituée a été obtenue. En outre, l'estérification de ce dernier avec des acides 4-alkyloxybenzoic portant 2, 10 et 12 atomes de carbone dans la chaîne latérale a été réalisée et les dérivés ont été désignés (ABPC-m). La structure moléculaire du HPC partiellement substitué et des deux esters (ABPC-n et-m ABPC) a été confirmée par spectroscopies infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) et 1H RMN. Les phases cristal liquide (LC) et les transitions de phases ont été étudiées par microscopie en lumière polarisée (PLM) et calorimétrie différentielle à balayage (DSC), respectivement. Pour étudier les propriétés lyotropiques, différentes concentrations de ces échantillons ont été dissous dans le diméthylacétamide (DMA) (20, 30, 40, 50 et 60% en poids) et la concentration critique a été déterminée par réfractométrie en mesurant l'indice de réfraction des solutions dans le DMA et en traçant l’évolution des indices de réfraction en fonction des concentrations. Pour ABPC-n, nous avons observé que les températures de transition vitreuse (Tg) et de compensation (Tc) diminuent avec la longueur de la chaîne alkoxy et que la gamme mésomorphique (Tm-Tc) diminue avec la longueur de la chaîne alkoxy

Advanced cellulose composites; preparation and properties

L'accumulation de déchets agricoles tels que la bagasse et le développement d alternatives aux polymères issus de la pétrochimie ont reçu une attention croissante au cours des deux dernières décennies, due à l'augmentation de la population et à la préoccupation croissante pour la préservation de l'environnement. Cette étude tente de résoudre ces problèmes à l aide de deux approches principales.La première est liée à des composites à base de papier et de liant naturel et la seconde est associée à la préparation et à la caractérisation de dérivés cellulosiques présentant des propriétés cristaux liquides. En ce qui concerne les composites à base de papier et de liant naturel, la modification par dénaturation d isolat de protéines de soja (SPI), l'ajout d'acrylamide et le changement de pH améliorent certaines propriétés et rendent les SPI plus utiles et acceptables dans diverses applications. Des expériences préliminaires ont été menées pour déterminer la concentration optimale de SPI permettant d obtenir des propriétés mécaniques et physiques maximales. Des concentrations de 0,5%, 2,5%, et 5% ont été utilisées et 2.5% correspond à la concentration optimale. Pour augmenter les propriétés adhésives du SPI, l acrylamide a été utilisé comme un modificateur supplémentaire dans des proportions 1,5%, 2,5% et 5%. L addition nucléophile de l'acrylamide aux chaînes de protéines en milieu alcalin améliore les propriétés de solubilité du SPI et augmente ses propriétés adhésives. L'effet supplémentaire de l'acrylamide sur le SPI est prononcé sur les propriétés mécaniques et physiques. Comme la charge nette du SPI peut être modifiée en faisant varier le pH du milieu aqueux, la corrélation entre les propriétés mécaniques et physiques des feuilles de papier et le pH du SPI a été étudiée. Les pH utilisés ont été 3, 5, 7 et 10, où le pH 5 est le point isoélectrique (IEP) du SPI.A ce pH, le nombre de charges positives et négatives est pratiquement identique. La seconde approche a consisté à préparer et caractériser une série de dérivés cellulosiques 4 - alkyoxybenzoyloxypropyl (ABPC-n). Ces dérivés ont été synthétisés par estérification d'hydroxypropylcellulose (HPC) avec un DS 3 par l'acide 4- alkoxybenzoic portant 1, 2, 3, 4, 7, 8, 10, 12 et 14 atomes de carbone dans la chaîne latérale. D'autre part, de la pâte debagasse a été préparée et caractérisée à partir bagasse égyptienne. L Hydroxypropylation a ensuite été menée sur la cellulose obtenue et de l HPC partiellement substituée a été obtenue. En outre, l'estérification de ce dernier avec des acides 4-alkyloxybenzoic portant 2, 10 et 12 atomes de carbone dans la chaîne latérale a été réalisée et les dérivés ont été désignés (ABPC-m). La structure moléculaire du HPC partiellement substitué et des deux esters (ABPC-n et-m ABPC) a été confirmée par spectroscopies infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) et 1H RMN. Les phases cristal liquide (LC) et les transitions de phases ont été étudiées par microscopie en lumière polarisée (PLM) et calorimétrie différentielle à balayage (DSC), respectivement. Pour étudier les propriétés lyotropiques, différentes concentrations de ces échantillons ont été dissous dans le diméthylacétamide (DMA) (20, 30, 40, 50 et 60% en poids) et la concentration critique a été déterminée par réfractométrie en mesurant l'indice de réfraction des solutions dans le DMA et en traçant l évolution des indices de réfraction en fonction des concentrations. Pour ABPC-n, nous avons observé que les températures de transition vitreuse (Tg) et de compensation (Tc) diminuent avec la longueur de la chaîne alkoxy et que la gamme mésomorphique (Tm-Tc) diminue avec la longueur de la chaîne alkoxy.The present study deals with utilization of Egyptian bagasse in both conventional and non-conventional fields. The conventional application is devoted to papermaking, where bagasse pulp is the most appropriate pulp for this purpose due to the suitability of fiber length and high cellulose and hemicellulose contents. The non-conventional application is dedicated to the preparation of cellulosic derivatives having liquid crystalline properties.The first approach deals with using modified soy protein isolate (SPI) as binder for cellulosic fibers in paper composites. Modification of SPI was carried out through i) denaturation with urea and NaOH. ii) addition of acrylamide to the denatured SPI. iii) changing pH of SPI. These types of modification were used to improve the adhesion properties of SPI. Pronounced mechanical and physical properties of paper sheets filled with 0.5, 2.5 or 5% denatured SPI was obtained upon using 2.5%. The optimum condition of SPI addition was used in ii and iii modifications. The additional effect of acrylamide on SPI was pronounced where the mechanical and physical properties were enhanced. Correlation between the mechanical and physical properties of paper sheets with the pH of SPI was studied. The used pHs were 3, 5, 7 and 10.The results showed that the maximum breaking length was obtainedAbstract - xix -at the isoelectric point of SPI at pH 5 (at the isoelectric point (IEP) the number of positive and negative charges on the polyion is the same, giving a net charge of zero) and it began to decrease when the pH is increased to pH 10. Both the burst index and the tear index showed parallel trends.In the second approach, a series of 4- alkyoxybenzoyloxypropyl cellulose (ABPC-n) samples were synthesized via the esterification of hydroxypropyl cellulose (HPC) with 4-alkoxybenzoic acid bearing alkoxy chain with different lengths. On the other hand, cellulose was isolated in pure form from Egyptian bagasse pulp. Hydroxypropylation was then conducted on the isolated cellulose. 4-alkyoxybenzoyloxypropyl cellulose (ABPC-m) samples were synthesized via the esterification of the latter product with the same acid, bearing 2, 10 and 12 carbon atoms in the side chain and characterized.The molecular structure of both esters (ABPC-n and ABPC-m) was confirmed by Fourier transform infrared (FT-IR) and 1H NMR spectroscopy. The liquid crystalline (LC) phases and transition behaviors were investigated using polarized light microscopy (PLM), and differential scanning calorimetry (DSC), respectively. The lyotropic behavior of the derivatives was investigated in DMA solutions using PLM andAbstract - xx -the critical concentration was firstly determined via refractive index measurements.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Materiaux

International audienc

Dissolution and regeneration of cellulose from N-methylmorpholine N-oxide and fabrication of nanofibrillated cellulose

International audienceCellulose II nanofibers (R-CNFs) were isolated from Egyptian bleached bagasse pulp fibers via dissolution in N-methylmorpholine N-oxide (NMMO) and regeneration. The quality and features of the R-CNFs suspension were optically and morphologically characterized and compared to those obtained from two conventional CNFs prepared from pretreated native cellulose (enzymatic hydrolysis (E-CNFs) and TEMPO oxidation (T-CNFs)) isolated from the same cellulosic pulp. Optical microscopy images show the effectiveness of nanofibrillation for all samples with few residual fragments and the absence of macrofibers. The grinding process of R-CNFs results in the formation of CNFs in nanometer scale, as confirmed by AFM and TEM studies. Moreover, the nanopapers prepared from R-CNFs showed mechanical properties (tear resistance and Young’s modulus), porosity, and water vapor permeability comparable to those obtained for E-CNFs and T-CNFs. However, R-CNFs suspensions exhibited a lower optical transmittance value (7.5%) and a higher turbidity (315 NTU) against 12.5%, 272 NTU and 25%, 160 NTU for E-CNFs and T-CNFs, respectively ascribed to some CNFs aggregates. The quality index for E-CNFs and T-CNFs was 74.2 and 85.5, respectively, whereas it was only 68.3 for R-CNFs due to the presence of these few fibrillar aggregates after regeneration and fibrillation

Tribological Performance for Steel–Steel Contact Interfaces Using Hybrid MWCNTs/Al₂O₃ Nanoparticles as Oil-Based Additives in Engines

Numerous problems occur during engine operation, such as start-up, lack of lubrication, and overheating, resulting in engine components’ wear, power loss, and fuel consumption. Nanomaterials dispersed in engine oil can play an important role in improving the tribological properties of oil lubricants. This study investigated the influence of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and aluminum oxide nanoparticles (Al2O3 NPs) as nano-additives for lubricants. Different engine oil samples were loaded with 0.5–2.0 wt% Al2O3 NPs and 0.5–1.0 wt% MWCNTs and compared with unmodified oil. The tribological performance of the nano lubricants was investigated using the four-ball test method. In addition, the wear scar in the engine was evaluated using 3D micrographs and scanning electron microscopy (SEM). The results of the sliding surfaces with hybrid MWCNTs/Al2O3 NPs showed better friction performance and wear resistance. The coefficient of friction (COF) and wear scar width were improved by 47.9% and 51.5%, respectively, compared with unmodified oil

Tribological Performance for Steel–Steel Contact Interfaces Using Hybrid MWCNTs/Al2O3 Nanoparticles as Oil-Based Additives in Engines

Numerous problems occur during engine operation, such as start-up, lack of lubrication, and overheating, resulting in engine components’ wear, power loss, and fuel consumption. Nanomaterials dispersed in engine oil can play an important role in improving the tribological properties of oil lubricants. This study investigated the influence of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and aluminum oxide nanoparticles (Al2O3 NPs) as nano-additives for lubricants. Different engine oil samples were loaded with 0.5–2.0 wt% Al2O3 NPs and 0.5–1.0 wt% MWCNTs and compared with unmodified oil. The tribological performance of the nano lubricants was investigated using the four-ball test method. In addition, the wear scar in the engine was evaluated using 3D micrographs and scanning electron microscopy (SEM). The results of the sliding surfaces with hybrid MWCNTs/Al2O3 NPs showed better friction performance and wear resistance. The coefficient of friction (COF) and wear scar width were improved by 47.9% and 51.5%, respectively, compared with unmodified oil

Mineralized Polyvinyl Alcohol/Sodium Alginate Hydrogels Incorporating Cellulose Nanofibrils for Bone and Wound Healing

Bio sustainable hydrogels including tunable morphological and/or chemical cues currently offer a valid strategy of designing innovative systems to enhance healing/regeneration processes of damaged tissue areas. In this work, TEMPO-oxidized cellulose nanofibrils (T-CNFs) were embedded in alginate (Alg) and polyvinyl alcohol (PVA) solution to form a stable mineralized hydrogel. A calcium chloride reaction was optimized to trigger a crosslinking reaction of polymer chains and mutually promote in situ mineralization of calcium phosphates. FTIR, XRD, SEM/EDAX, and TEM were assessed to investigate the morphological, chemical, and physical properties of different mineralized hybrid hydrogels, confirming differences in the deposited crystalline nanostructures, i.e., dicalcium phosphate dehydrate (DCPDH) and hydroxyapatite, respectively, as a function of applied pH conditions (i.e., pH 4 or 8). Moreover, in vitro tests, in the presence of HFB-4 and HSF skin cells, confirmed a low cytotoxicity of the mineralized hybrid hydrogels, and also highlighted a significant increase in cell viability via MTT tests, preferentially, for the low concentration, crosslinked Alg/PVA/calcium phosphate hybrid materials (<1 mg/mL) in the presence of hydroxyapatite. These preliminary results suggest a promising use of mineralized hybrid hydrogels based on Alg/PVA/T-CNFs for bone and wound healing applications