Development of new nanofibrous materials based on solubilized

Post-doctoral fellowship
Development of new nanofibrous materials based on solubilized cellulose
This project aims to develop new cellulosic fibrous membranes from dissolved cellulose at the molecular level. In the
framework of the Carnot PolyNat Institut, it is a joint project between the Laboratoire Genie des Procedes Papetiers, the
Laboratoire Sols, Solides, Structures et Risques and the Laboratoire Rheologie et Procedes.
Three main tasks have been identified:
1. Scale-up of electrospinning: We were able to develop small membranes with a controlled structure using a
microstructured collector. The transition from laboratory scale (3cm X 3cm membrane) to pilot scale (30cm X 30cm) is a
new goal.
2. Preparation of cellulose membranes: Different membranes will be obtained from the cellulose produced by the LGP2.
The influence of the degree of polymerization will be considered using Avicel (DP 150) and cotton linters (DP between
1000 and 2000). The rheological properties of the celluloses will be characterized under shear and elongation. Each
structured and unstructured membranes will be produced.
3. Morphological and mechanical characterization of membranes: Membranes will be characterized by optical
microscopy to identify the morphology of the fibrous network and by scanning electron microscopy to study the
morphology of the fibers. Concurrently, their complex anisotropic 3D architecture will be analyzed by X-ray
microtomography (a shift from 8h will be scheduled on the line ID19 of the ESRF). Deformation of the network under
tensile test will be characterized. A correlation between the mechanical behavior of membranes and their morphology
will be established in order to optimize their production.
Applicants for the post-doctoral fellowship must have a Ph.D. in polymer science and / or cellulose with a very good
knowledge in mechanical and rheological characterization. A theoretical knowledge of the electrospinning supplemented
by practical experience would be a plus.
Duration 9 months
Starting date: 1st of March
Contacts:
Frédéric Bossard, full professor
Laboratoire Rhéologie et Procédés, UMR 5520
Email: [email protected]
Phone: +00334 56 52 01 92
Post-doctoral fellowship
Développement de nouveaux matériaux nanofibreux à base de celluloses solubilisées
Ce projet vise à développer l'élaboration de membranes fibreuses de cellulose à partir de cellulose dissoute à l'échelle
moléculaire. Ce projet, développé en collaboration entre le Laboratoire Génie des Procédés Papetiers, le laboratoire
Sols, Solides, Structures et Risques et le Laboratoire Rhéologie et Procédés a pour but de :
1) Mettre en forme par electrospinning des membranes de fibres de différentes celluloses préalablement dissoutes.
L'influence du degré de polymérisation sera considéré en utilisant de l'Avicel (DP ~ 150) et des linters de coton
(DP entre 1000 et 2000). La phase de solubilisation des celluloses sera déterminante pour produire des fibres de
qualité par electrospinning.
2) Caractériser la morphologie des fibres et les propriétés mécaniques des membranes. Nous nous attacherons en
particulier à relier la topologie du réseau de fibre, la nature des celluloses utilisées et les paramètres mécaniques
des membranes (module d'Young, contrainte et déformation à la rupture).
Optimiser le procédé d'electrospinning pour permettre son scale-up. L'objectif ici est de permettre l'élaboration de
membranes de 30 cm X 30 cm tout en contrôlant la morphologie du réseau
Trois tâches ont été identifiées
1. Etude de faisabilité du scale-up de l'electrospinning: Nous avons pu élaborer des membranes de faible dimension à
structure parfaitement contrôlée en utilisant un collecteur microstructuré
Le passage de l'échelle labo (membrane de 3cm X 3cm) à l'échelle pilote (membrane au format A4) est un nouvel objectif
à atteindre.
2. Elaboration de membranes cellulosiques : Différentes membranes seront obtenues à partir des celluloses produites
par le LGP2. Pour chaque cellulose, des membranes structurées et non-structurées seront produites. Le choix du solvant
sera ici déterminant pour obtenir des fibres uniformes. Dans le cas d'utilisation de solvants faiblement volatiles tels que le
NMMO ou le DMAc-LiCl, l'enceinte de l'electrospinning sera montée en température pour réduire la quantité de solvant
résiduel dans les fibres et la distance entre le collecteur et la surface de dépôt des fibres sera augmentée.
3. Caractérisation morphologique et mécanique des membranes : Les membranes obtenues en tâche 3.2 seront
caractérisées par microscopie optique pour identifier la morphologie du réseau de fibre et par microscopie électronique à
balayage pour étudier la morphologie des fibres. En parallèle, leur architecture 3D complexe et anisotrope sera analysée
par microtomographie à rayons X (un shift de 8h prévu sur la ligne ID19 de l’ESRF). La déformation des réseaux sous
traction simple sera étudiée en adaptant un système de visualisation de microscopie optique sur le rhéomètre ARES G2
équipé de mors de traction. Une corrélation entre le comportement mécanique des membranes et leur morphologie sera
ainsi établie, permettant d'optimiser leur élaboration. Ces essais seront agrémentés de procédures d’analyses d’images
dédiées pour analyser les évolutions des enchevêtrements fibreux, en particulier l’orientation, le flambement et
l’endommagement des fibres. Pour enrichir ces caractérisations mécaniques, des essais de traction simple, plane et biaxiale seront réalisés sur la plateforme BioBiax, sous hygrométrie contrôlée, voire en solution aqueuse, avec mesures de
champs cinématiques par (stéréo)corrélation d’images numériques. Ils permettront de jauger l’impact des conditions de
chargements mécaniques complexes et d’environnement hydrique sur la réponse hygro-mécanique anisotrope de ces
réseaux fibreux membranaires. Ces essais seront enfin complétés par une analyse expérimentale par imagerie de l’hygroexpansion des membranes, pour connaître leur stabilité dimensionnelle. L’ensemble de ces données formeront la base d’un
modèle de comportement micromécanique dédié à ces structures, permettant par la suite d’optimiser leur architecture (et
le process associé) en fonction des chargements hygromécaniques auxquelles elles seront soumises en service.
Profil du/de la candidat(e)
Le/la candidat(e) aura une thèse en sciences des polymères et ou cellulose avec une bonne connaissance en rhéologie et
mécanique. Des connaissances théoriques sur l'electrospinning complétées par une expérience pratique seront fortement
appréciées.