Valorisation des lignines industrielles dans les nouveaux biocomposites



Les lignines sont actuellement sous-exploitées et seulement 2 % des lignines industrielles trouvent une application autre que la production d'énergie. Cependant, ces nouvelles applications sont importantes pour la croissance économique de la filière papetière ainsi que celle des écomatériaux, mais aussi pour contribuer à la séquestration de CO2 par précipitation de la lignine Kraft et à la diminution des émissions de gaz à effet de serre en favorisant l'usage des produits naturels plutôt que synthétiques.

L'objectif principal de ce projet était de proposer des applications pour des lignines Kraft : l'utilisation de la lignine dans des composites de polyéthylène haute densité (HDPE) et l'utilisation de la lignine Kraft estérifiée en tant qu'agent de couplage dans des composites contenant du polyéthylène haute densité (HDPE) et des écorces de bois.

Les lignines Kruger Wayagamack et Domtar Windsor ont été précipitées avec du dioxyde de carbone permettant de séquestrer un gaz à effet de serre. Pour 1 kg de lignines précipitées, 0,9 kg de dioxyde de carbone a été utilisé. Leur purification est faite en respectant les principes de la chimie verte (respectueuse de l'environnement). Ces lignines Kraft purifiées ont montré une très bonne pureté et sont chimiquement et thermiquement comparable à une lignine Kraft commerciale Indulin AT. Ces lignines Kraft ont été comparées à une lignine pyrolytique et une lignine Soda. Leur caractérisation a montré l'importance de l'origine de la lignine, du procédé industriel utilisé ainsi que du procédé de précipitation choisi. Ces différences impliquent une valorisation choisie pour chaque lignine dépendamment de leur caractéristique. Les lignines Kraft ayant une pureté élevée, une masse moléculaire de l'ordre de 3000 g/mol et un nombre d'hydroxyles important pour des possibles modifications chimiques, montrent un potentiel indéniable dans sa valorisation dans des biocomposites de matrice telle que des polyoléfines.

Les lignines Kraft ont été estérifiées à l'aide d'anhydride cyclique dans le but d'améliorer la compatibilité entre le polyéthylène et les écorces de bois. Deux anhydrides ont été utilisés : l'anhydride maléique et l'anhydride succinique. L'estérification a été confirmée par FT-IR et RMN (1H et 13C). Les propriétés thermiques ont légèrement diminuées mais sans être un problème pour le procédé de fabrication des composites. La lignine estérifiée montre une morphologie différente avec des particules plus étalées et poreuse. Cette porosité est un possible atout pour un encrage physique des polyoléfines durant le procédé de formulation des composites HDPE +écorces de bois.

Les écorces d'épinette noires étant de très faible valeur marchande, leurs valorisations ont un intérêt économique et social. Il a été démontré que les lignines Kraft de résineux non modifiées ou estérifiées n'agissent pas comme agent de couplage appliquées seules sur les fibres d'écorces. Cependant, l'utilisation des lignines Kraft de résineux estérifiées par l'anhydride maléique en combinaison avec du MAPE permet d'améliorer la performance des composites en renforçant la structure à l'aide des interactions entre les lignines estérifiées et lignines dans les fibres d'écorce, reposant sur des interactions de type pi-pi. Les lignines estérifiées agissent alors en renforçant l'efficacité de l'agent de couplage commercial MAPE, par son remplacement partiel, dans les composites contenants les fibres d'écorces d'épinette noire dans la matrice de polyéthylène de haute densité (HDPE). De plus, les extractibles des écorces peuvent être extraits des écorces avant la fabrication du composite pour être valorisés indépendamment dans l'industrie pharmaceutique ou encore la nutraceutique, sans affecter les propriétés mécaniques des futurs composites contenant ces écorces extraites. L'efficacité de la combinaison de lignines Kraft estérifiées et de MAPE en tant qu'agent de couplage dans des composites de HDPE/écorce de bois indique qu'il est possible de remplacer la moitié de l'agent de couplage MAPE synthétique par un biopolymère renouvelable. Ce matériau a donc 30 % de la matrice pétrochimique (HDPE) remplacée par des fibres d'écorce d'épinette noire. Le remplacement possible de matériaux synthétiques par des biocomposites aurait un impact positif sur le cycle de vie en raison de la diminution de l'empreinte carbone du composite obtenu.

Les progrès accomplis dans le cadre du projet ont pu aussi démontrer que certaines méthodes de compatibilisation conventionnelles comme l'estérification partielle ou superficielle de la lignine ou encore le greffage du HDPE sur la lignine, ne s'adaptent pas aux composites lignine Kraft-HDPE. Néanmoins, l'amélioration de la compatibilité des composites par de nouvelles approches, comme l'ajout de copolymères modifiés (SEBS acétylé, SEBS hydroxylé, nitro SEBS et le SEBS aminé) ou encore le greffage initié par des radicaux libres (Dicumyl Peroxide (DCP)) a été réalisée avec succès. Cette recherche montre la possibilité de remplacer jusqu'à 40 % de matière synthétique comme le HDPE par des lignines Kraft industrielles en améliorant les propriétés thermiques, morphologique et mécanique du composite. La possibilité de réduire l'impact des activités humaines sur l'environnement et de préserver la ressource fossile est de nouveau mise en évidence dans cette application.

D'autres valorisations de la lignine Kraft pourront aussi être plus profondément étudiées pour la suite, comme son utilisation à hauteur de 20 % dans des composites de polystyrène recyclé ou encore son utilisation en tant qu'agent liant ou agent de renfort dans des panneaux de bois de peuplier faux-tremble à hauteur de 20 % en concentration massique.

Ce projet a permis de concevoir divers produits ayant pour objectif la valorisation de sous-produits d'industrie papetière Kraft, tout en contribuant à la diminution des émissions de gaz à effet de serre en utilisant le dioxyde de carbone pour précipiter la lignine Kraft et en favorisant l'usage des produits naturels plutôt que synthétiques dans les nouveaux biocomposites conçus.

Chercheure responsable

Tatjana Stevanovic, Université Laval

Équipe de recherche

  • Papa Niokhor Diouf, Service de recherche et d'expertise en transformation des produits forestiers (SEREX)
  • Daniel Grenier, Centre de recherche industrielle du Québec
  • Denis Rodrigue, Université Laval
  • Xiang-Ming Wang, FPInnovations
  • Suzhou Yin, Service de recherche et d'expertise en transformation des produits forestiers (SEREX)

Durée

2010-2014

Montant

250 000 $

Partenaires financiers

  • Fonds québécois de la recherche sur la société et la culture
  • Ministère du Développement économique, de l'Innovation et de l'Exportation

Appel de propositions

Réduction et séquestration des gaz à effet de serre