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Vers un liant bio-sourcé d’intérêt pour des matériaux performants

Des chercheurs de l’Inra et leurs collègues ont analysé les liaisons qui se forment entre des dérivés de glucose et des résidus de l’industrie papetière, les lignosulfonates, lors de leur chauffage en présence de catalyseurs azotés. Elles conduisent à la formation d’un liant non polluant pour la préparation de matériaux performants.

Miscanthus en culture et détail de la morphologie de la plante : feuille.. © © INRA, MAITRE Christophe
Mis à jour le 12/05/2017
Publié le 11/05/2017
Mots-clés : BIOMASSE - CHIMIE VERTE

Alternative intéressante aux énergies fossiles, la biomasse végétale est aussi à l’origine de produits biosourcés d’intérêt et tant l’amélioration de sa qualité que l’exploration d’outils de bioconversion performants sont aujourd’hui l’objet d’enjeux majeurs. Au côté de la cellulose et des hémicelluloses qui composent la biomasse, la lignine (un polymère complexe aromatique) présente une large gamme de propriétés d’intérêt pour la conception de matériaux respectueux de l’environnement.

Les lignines dites industrielles sont des co-produits issus du fractionnement des ressources végétales, soit par des procédés papetiers traditionnels de délignification, soit par de nouveaux procédés développés dans le cadre de la bioraffinerie du végétal. Dans le premier cas, elles proviennent essentiellement des liqueurs noires issues d’un procédé dit au bisulfite à la faveur duquel on obtient des polymères polyphénoliques hydrosolubles en raison de la présence de nombreux groupements sulfonates, les lignosulfonates d’ammonium.

La formation de films ou de voiles, homogènes et dont la résistance mécanique soit bonne, à partir de fibres minérales non tressées, destinés à être employés, par exemple, comme support d’isolation dans le bâtiment, nécessite d’utiliser un liant pour assurer la cohésion du matériau. Les liants traditionnellement utilisés pour ces applications sont de type phénol-formaldéhyde et posent le problème de la libération possible de substances toxiques sous forme de composés organiques volatiles. Des travaux industriels ont mis en évidence que le mélange à chaud de dérivés saccharidiques et de lignosulfonates d’ammonium, en présence de catalyseurs azotés, constituait une réelle alternative non polluante aux résines de type formaldéhyde.

Des chercheurs de l’Institut Jean-Pierre Bourgin (Inra, AgroParisTech, ELR CNRS) en collaboration avec Saint Gobain Recherche ont exploré les mécanismes chimiques sous-jacents à la formulation de ce type de liants, mettant en avant une réelle originalité du procédé par rapport à l’existant.

Lignosulfonates d'ammonium et dérivés du glucose, analyse d'une liaison

En utilisant des molécules de synthèse, possédant les différentes caractéristiques structurales des lignosulfonates d’ammonium, dans des expériences de cuisson en présence de sucres réducteurs et de phosphate d’ammonium, les scientifiques ont pu caractériser, grâce en particulier à des études RMN bidimensionnelles, les liaisons covalentes formées entre les lignosulfonates et un produit de dégradation thermique du glucose permettant de nettement différencier ce type de résines de celles de type phénol-formaldéhyde.

 

Des molécules modèles aux lignosulfonates

La transposition ces travaux, réalisés avec des molécules modèles, aux lignosulfonates a nécessité de mettre au point des méthodes de suivi analytique des transformations subies par les lignosulfonates. Des résultats similaires à ceux obtenus sur les molécules modèles ont été atteints avec les lignosulfonates.

 

Les études méthodologiques ont d’ores et déjà été publiées et ce type de formulations a déjà fait l’objet de dépôts de brevet. L’étude de l’influence des différents paramètres structuraux des lignosulfonates et de la nature du catalyseur permet d’espérer une optimisation du procédé.

En savoir plus

Broussard O., Petit M., Elie N., Baumberger S., Arnaud A., Ducrot P-H., Allais F. Monitoring of free phenol content in lignosulfonates by ClO2 titration and UV difference spectroscopy. Holzforschung 2016, 70, 719.

Des brevets

  • FR3032197

Composition d'encollage pour laine minérale a base de sel de metal alcalin ou alcalino-terreux d'acide lignosulfonique et d'un composé carbonylé, et produits isolants obtenus.

  • FR3032196

Composition d'encollage pour laine minérale a base de lignosulfonates d'ammonium et d'un composé carbonylé, et produits isolants obtenus.

  • FR3032195

Liant pour fibres minérales a base de sel de métal alcalin ou alcalino-terreux d'acide lignosulfonique et d'un composé carbonylé, et mats obtenus.

  • FR3032194

Liant pour fibres minérales a base de lignosulfonates d'ammonium et d'un composé carbonylé, et mats obtenus.

  • Wo2016120575

Liant pour fibres minérales a base de lignosulfonates et d'un composé carbonylé, et mats obtenus

  • Wo2016120576

Composition d'encollage pour laine minérale a base de lignosulfonates et d'un composé carbonylé, et produits isolants obtenus

Allais Florent, Ducrot Paul-Henri,  Broussard Orianne, Petit Morgane, Silioc Christelle