Esterification of Cellulose Via Ultrasound and Green Solvents

La cellulose a de nombreuses applications dans les industries des pâtes et papiers, biochimique, cosmétique et agricole entre autres, ce qui génère une quantité significative de déchets cellulosiques, dont une partie est brûlée ou enfouie. Cependant, la valorisation de la cellulose pose plusieurs problèmes notamment dus à son important réseau de liaisons hydrogène, son caractère amphiphile et sa température de fusion élevée. Ces enjeux compromettent la dissolution de la cellulose ainsi que son traitement, puis les surmonter implique de prétraiter la cellulose, l’utilisation de quantités importantes d’énergie et peut dégrader les chaînes de cellulose. Le présent projet de recherche vise à convertir la cellulose en matériaux thermoplastiques via estérification, par un procédé plus efficace en énergie et en temps que les procédés conventionnels. Nous avons choisi une approche d’intensification des procédés : les ultrasons, et la cavitation acoustique générée, afin d’améliorer les transferts de masse et de chaleur, de diminuer la consommation énergétique et d’accélérer les réactions. La géométrie du réacteur, la fréquence des ultrasons et les propriétés thermodynamiques des solutions de cellulose affectent la cavitation acoustique au sein du réacteur, justifiant l’intérêt de modéliser l’activité des ultrasons. D’un autre côté, l’estérification de la cellulose produit des matériaux thermoplastiques utilisables comme films, grâce au greffage de longues chaînes d’acides gras qui agissent comme plastifiant. La présente thèse se divise en trois parties suivant des objectifs spécifiques et menant à la soumission de trois articles dans des journaux scientifiques.

Abstract

Cellulose finds many applications in papermaking, biochemistry, cosmetics, agriculture, generating significant waste from which a part is burned or buried into landfills. That motivates sustainable valorization pathways of cellulose. However, cellulose valorization meets several challenges because of its hydrogen bond network, its amphiphilicity, and its high melting point. These issues hinder cellulose solubility and processability. Overcoming these issues typically requires a pre-treatment, a lot of energy and can degrade cellulose. This research project aimed to convert cellulose into thermoplastic material via esterification. We chose ultrasound, a process intensification strategy, and its acoustic cavitation activity to enhance heat and mass transfer, accelerate chemical reactions, and reduce energy consumption. The geometry of the reactor, the ultrasound frequency and the thermodynamic properties of the cellulose solutions affect the cavitational activity into the reactor. Esterification grafts long-chain fatty acids that internally plasticize cellulose, making materials suitable for flexible film applications for instance. The thesis includes three parts, meeting sub-objectives and resulting in the submission of three full-length research articles.