Un nouveau composite à structure sandwich à base de biopolymères pour les applications d'enveloppe de bâtiment

Un nouveau composite à structure sandwich a été développé à partir de couches superficielles de polyhydroxyalcanoate (PHA) et d'une couche intermédiaire d'acide polylactique et de microfibres de cellulose. Les microfibres de cellulose biodégradables peuvent être modifiées chimiquement par un procédé sol-gel pour améliorer la compatibilité entre le renfort naturel et la matrice polymère.

Alors que les microfibres de cellulose modifiées ont été développées chimiquement par différents processus pour améliorer la compatibilité du renforcement naturel au niveau de la matrice polymère, les microfibres de cellulose modifiées ont montré des caractéristiques hautement hydrophobes avec une dispersion homogène dans la matrice d'acide polylactique.

Masoud Dadras Chomachayi et une équipe de recherche de l'Université Laval, au Canada, ont observé des analyses thermogravimétriques des constructions pour montrer une stabilité thermique améliorée. Ils ont amélioré les propriétés mécaniques des constructions pour augmenter leur module de traction et leur résistance. Lorsque les scientifiques ont ajouté des fibres non traitées aux constructions, la perméabilité à la vapeur d'eau du composite sandwich a augmenté pour montrer la supériorité des microfibres de cellulose modifiées par rapport aux microfibres de cellulose non traitées pour développer les enveloppes des bâtiments.

La recherche est publiée dans la revue Rapports scientifiques.

L’art de construire une enveloppe de bâtiment

L'enveloppe du bâtiment est un élément essentiel de la structure d'un bâtiment qui protège les occupants des impacts environnementaux extérieurs, notamment le soleil, la pluie, la neige, le vent et la pollution. Cet élément passif multicouche est important pour l’efficacité énergétique et pour maintenir la santé et le confort des résidents du bâtiment. Les processus de fuite d’air, de transfert de chaleur et de diffusion d’humidité peuvent avoir un effet significatif sur l’enveloppe du bâtiment. Par exemple, dans les climats froids, la concentration massique de vapeur d’eau à l’intérieur du bâtiment est plus élevée qu’à l’extérieur, provoquant la migration de l’humidité à travers les murs du bâtiment.

En conséquence, l’humidité diffuse peut favoriser la croissance de moisissures, réduisant ainsi l’efficacité de l’isolation et la détérioration des matériaux de l’enveloppe du bâtiment. À l’heure actuelle, diverses membranes barrières sont utilisées dans l’industrie du bâtiment, notamment des feuilles de plastique et des isolants en mousse rigide. Parmi ces matériaux, les polymères sont de plus en plus utilisés pour construire des enveloppes. Les scientifiques des matériaux utilisent des feuilles de polyéthylène extrudées comme membrane pare-vapeur importante ; cependant, son utilisation excessive est nocive pour l’environnement.

La composition des matériaux

Étant donné que le polyhydroxyalcanoate et l’acide polylactique sont des biopolymères importants dans l’industrie du plastique, des travaux récents ont vu l’utilisation de charges renouvelables à base de cellulose comme composites polymères. Dans ce travail, Chomachayi et ses collègues ont donc développé une nouvelle membrane barrière à structure sandwich à partir de matériaux biosourcés, dans laquelle ils ont ajouté du polyhydroxyalcanoate aux couches superficielles des membranes en raison de ses excellentes propriétés pare-vapeur, puis ont ajouté de l'acide polylactique comme couche intermédiaire, aux côtés de microfibres de cellulose. pour des bénéfices environnementaux et économiques.

Les scientifiques ont caractérisé les composites sandwich préparés par rapport à leur morphologie, leur stabilité thermique, leurs propriétés mécaniques et leurs performances pare-vapeur. Ils ont ensuite réalisé un test de durabilité pour étudier l’effet du vieillissement accéléré sur les propriétés mécaniques et barrières des matériaux.

Les chercheurs ont examiné la morphologie de surface des microfibres de cellulose avant et après modification et ont examiné les résultats en microscopie électronique à balayage. Pour conférer de la rugosité aux fibres de cellulose, l'équipe a incorporé des nanoparticules de silice sphériques d'un diamètre nanométrique, où elles ont dérivé les nanoparticules de l'hydrolyse et de la nucléation du précurseur tétraéthylorthosilicate sur les fibres de cellulose.

À l’aide de l’analyse infrarouge par transformée de Fourier, Chomachayi et ses collègues ont déterminé la structure chimique des microfibres de cellulose avant et après la modification sol-gel. Les scientifiques ont caractérisé les composites sandwich préparés par rapport à leur morphologie, leur stabilité thermique et leurs propriétés mécaniques.

Mécanisme d'action

Dans son mécanisme d'action, lors de la modification sol-gel des microfibres de cellulose avec du tétraéthylorthosilicate et de l'hexadécyltriméthoxysilane, l'équipe a mélangé les matériaux combinés dans un distributeur et a inclus des nanoparticules de dioxyde de silicium à la surface du matériau. Après la réaction, ils ont centrifugé le mélange et obtenu des microfibres de cellulose hydrophiles, qu'ils ont lyophilisées pendant deux jours et broyées pour obtenir une poudre de cellulose. Pour préparer les membranes à structure sandwich, ils ont créé des composites intercalaires acide polylactique/microfibre de cellulose par coulée au solvant et ont séché sous vide les granulés de PHA pendant la nuit pour éliminer l'humidité.

Les scientifiques ont ensuite développé les composites à structure sandwich via moulage par compression et les ont caractérisés via une gamme de méthodes, notamment la microscopie électronique à balayage, les mesures d'angle de contact, les analyses thermogravimétriques et la calorimétrie différentielle à balayage.

Pour évaluer l’impact de la modification sol-gel sur l’hydrophobicité des microfibres de cellulose, ils ont étudié les résultats à l’aide de mesures d’angle de contact. Par exemple, les valeurs d’angle de contact des microfibres de cellulose combinées et de l’hexadécyltriméthoxysilane étaient supérieures à celles des surfaces non traitées. L'équipe a mené une série d'expériences pour caractériser la composition de la surface des matériaux, la chimie des constructions et leurs propriétés mécaniques.

Étant donné que le concept de durabilité des matériaux a attiré beaucoup d'attention au Canada, par exemple, l'équipe a cherché à évaluer la durée de vie des feuilles de polyéthylène pour une utilisation à long terme lors des applications de membranes pare-vapeur.

Perspectives

De cette manière, Masoud Dadras Chomachayi et son équipe ont développé une membrane à structure sandwich utilisant des matériaux biosourcés, notamment du polyhydroxyalcanoate, de l'acide polylactique et des microfibres de cellulose. Les membranes barrières régulaient la migration de la vapeur d’eau à travers les murs pour empêcher l’accumulation d’humidité et assurer la stabilité à long terme des matériaux de construction. L'équipe de recherche a développé des composites multicouches utilisant des feuilles de polyhydroxyalcanoate et des fibres renforcées avec des composites d'acide polylactique pour créer des microfibres de cellulose modifiées incrustées de nanoparticules sphériques de silice sur les surfaces.

L'hydrophilie et la stabilité thermique des microfibres de cellulose ont également été améliorées après le processus de modification sol-gel. Les résultats ont montré comment le module d'Young des matériaux augmentait en incorporant deux matériaux clés dans les composites. Les résultats positifs symbolisent le potentiel des biopolymères à constituer des alternatives utiles aux matériaux conventionnels à base de pétrole dans les applications de construction. D'autres études visent à améliorer la flexibilité des composites pour des applications plus larges.

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