Matelas fibreux cellulosiques aux liaisons fibre-fibre améliorées pour des matériaux biosourcés plus légers, plus résistants et plus extensibles. – FiberBond

Pour répondre aux enjeux environnementaux, il est indispensable de réduire drastiquement l'utilisation des polymères pétrosourcés dans le secteur de l'emballage. Le papier est une alternative intéressante, biosourcée, recyclable et biodégradable, à condition qu'il présente les propriétés barrières, de scellabilité et/ou de mise en forme 3D requises. Or la mise en forme 3D est fortement limitée par le manque de ductilité du papier. La tenue mécanique des liaisons fibre-fibre est très souvent le paramètre limitant les performances mécaniques du papier. Celle-ci peut être grandement améliorée en augmentant la surface de contact et en favorisant le développement d'interactions de Coulomb et/ou de liaisons covalentes. L'objectif du projet FIBERBOND est d'étudier, de quantifier et de modéliser les contributions des propriétés des fibres (morphologie, composition chimique, densité de charge, flexibilité modifiée par raffinage ou traitements chimiques de surface) et des paramètres du procédé (pressage humide, retrait libre/nul) à l'augmentation de l'aire de contact, ainsi que la contribution de la modification chimique de surface (chargées ou capables de former des liaisons hémiacétal ou ester) à l'amélioration de la résistance intrinsèque des liaisons fibre-fibre, à partir de nouvelles approches expérimentales que le consortium a développées. Le projet s'articule autour de quatre tâches : (A) la production de matelas de fibres modèles, (B) la caractérisation multi-échelle de l’évolution de l’aire de contact et des phénomènes de retrait des fibres/réseaux pendant le pressage et le séchage du matelas de fibres, (C) la caractérisation multi-échelle du comportement mécanique des matelas de fibres, et (D) le développement d'un modèle mécanique multi-échelle adapté aux propriétés des matelas de fibres cellulosiques et enfin la réalisation d’essais de mise en forme 3D. (A) L'objectif principal de la tâche A est de produire des mats de fibres ayant (i) différentes capacités de collapsibilité, de flexibilité et de déformabilité de la paroi afin d'étudier la contribution de ces propriétés au développement de la surface de contact fibre-fibre et aux propriétés mécaniques des mats de fibres et (ii) des fibres modifiées chimiquement en surface pour promouvoir le développement d'interactions fortes entre elles (liaisons électrostatiques ou covalentes). (B) Dans la tâche B, nous étudierons comment les zones de liaison fibre-fibre se développent lors des opérations de pressage et de séchage des mats de fibres formulées dans la tâche A, en adoptant une approche multi-échelle. (C) Les objectifs de la tâche C sont (i) de constituer une base de données expérimentales multi-échelle exhaustive caractérisant le comportement hygro-mécanique des papiers de laboratoire, de leurs fibres et de leurs liaisons (ii) de comprendre les effets du type de fibre, du raffinage, de la fonctionnalisation, des conditions de fabrication de papier et de l'environnement hygro-thermique sur les réponses du papier et (iii) de proposer des lignes directrices multi-échelles pour adapter et optimiser les propriétés hygro-mécaniques spécifiques des papiers, des fibres et des liaisons fibre-fibre. (D) Dans la tâche D, nous proposerons (i) un cadre multi-échelle théorique et numérique pour modéliser l'hygro-mécanique des mats de fibres, alimenté par la base de données des tâches précédentes, c'est-à-dire avec des descripteurs nano, micro et méso-structuraux pertinents et l'hygro-micromécanique des fibres et des liaisons entre fibres, (ii) implémenter ce modèle dans un code d'éléments finis à l'échelle macro pour simuler la formation et les propriétés d'utilisation finale des papiers de laboratoire, (iii) valider la prédiction des éléments finis avec des expériences de formation de papier en 3D.