Films minces cellulosiques élaborés par ultrafiltration frontale et réticulation UV

Résultats :

Une première étape de formulation ayant pour objectif de stabiliser des NCC dans une matrice polymère réticulable UV a été accomplie, avec l’obtention de suspensions colloïdales stables de NCC dans une matrice de poly(éthylène glycol) diacrylate (PEGDA) avec la présence d’un photo-initiateur.

Un fait marquant est l’obtention pour la première fois par ce nouveau procédé de mise en forme (filtration et réticulation UV) d’un composite cellulosique structuré avec une orientation des nanocristaux de cellulose répartis de manière homogène dans le volume du composite, avec leur directeur orienté parallèlement à la surface de la membrane sur des échelles allant du nanomètre au micromètre.

L’analyse des mesures de SAXS (Figures 1 et 2) et de MEB (Figure 3) à l’intérieur du nano-composite ont permis de révéler l’efficacité du procédé de séparation membranaire à densifier de manière organisée les nanoparticules de cellulose à la surface de la membrane. En effet, l’avantage que possède ce procédé par rapport à d’autres procédés comme l’extrusion ou la déposition est qu’il permet de concentrer les objets anisotropes à partir du domaine dilué pour lequel les forces d’interactions colloïdales sont faibles vis à vis des forces extérieures de pression transmembranaire appliquée.

Cette propriété de structuration continue au cours du temps, associée à la fixation par réticulation UV à la fin de la filtration, a permis d’atteindre de manière originale des organisations des NCC avec des distances entre particules de 12 à 28 nm sur des épaisseurs de 25 à 225 µm depuis la surface membranaire, dans les films de nanocomposites réticulés, et ceci pour des nanocristaux de cellulose ayant des dimensions latérales 11 nm (Figure 4).

Par ailleurs pour la première fois il a été mis en évidence une structuration cholestérique des NCC avec leur axe hélicoïdal orienté perpendiculairement à la surface de la membrane, et possédant un gradient régulier de pas qui s’établit depuis la surface membranaire vers le volume du nanocomposite (Figure 5 et 6). Cette organisation en structure cholestérique avec un gradient de pas régulier sur des distances de l’ordre de 120 µm ouvre la voie vers des applications dans le domaine de la photonique.

Figure 1 : A) : A) photo d’un nanocomposite PEGDA/NCC 70/30 à CNCC initiale = 2 wt% filtré pendant tf = 24 h et réticulé par rayonnement UV.  B) spectres de SAXS 2D mesurés à l’intérieur du nanocomposite depuis le bord inférieur correspondant à la surface de la membrane et à des distances croissantes dans le volume du nanocomposite.