Élaboration de matériaux à changement de phase dans une matrice cellulosique : caractérisations spectroscopiques et thermiques

Dans le cadre de l’ingénierie des matériaux durables, le développement de systèmes de stockage d’énergie thermique privilégie de plus en plus l’utilisation de ressources renouvelables et biodégradables. Les matériaux à changement de phase (MCP) présentent une capacité élevée de stockage de chaleur latente et permettent un stockage et une restitution réversibles de l’énergie au cours des transitions de phase, ce qui les rend particulièrement intéressants pour la régulation thermique dans divers secteurs industriels. L’association des MCPs avec la cellulose, un biopolymère abondant, renouvelable et mécaniquement robuste permet de concevoir des composites répondant à la fois aux exigences de performance et aux critères environnementaux. Cette combinaison s’inscrit dans les objectifs mondiaux de durabilité en remplaçant les matériaux dérivés du pétrole par des alternatives biosourcées sans compromettre l’efficacité thermique.L’objectif principal de cette thèse de doctorat est de concevoir, élaborer et caractériser de manière approfondie un composite entièrement cellulosique intégrant un MCP. Les travaux de recherche s’articulent autour de trois axes principaux : la sélection et la caractérisation thermique d’un MCP présentant des températures de transition optimales, une grande stabilité thermique et une compatibilité chimique avec la cellulose; l’étude de la dissolution de la cellulose dans l’hydroxyde de tétrabutylphosphonium (TBPH) afin de déterminer les mécanismes de dissolution et leur influence sur la microstructure et les performances du composite sur une large gamme de concentrations ; et enfin, la caractérisation thermique et structurale simultanée du composite à l’aide d’un dispositif innovant couplant en temps réel la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et la spectroscopie infrarouge (IR), permettant de corréler les transitions thermiques et les modifications structurales à l’échelle moléculaire.Pour atteindre ces objectifs, de la cellulose purifiée est dissoute dans une solution à 40 % massique de TBPH, couvrant des concentrations allant de solutions quasi idéales (diluées) à des régimes hautement concentrés présentant des domaines anisotropes et des fractions cristallines non dissoutes. La résonance magnétique nucléaire à gradient de champ pulsé (RMN PFG) a été appliquée à l’étude de systèmes cellulosiques hétérogènes et concentrés. Ces méthodes permettent de déterminer la concentration de recouvrement critique (c*) séparant les régimes semi-dilués des régimes concentrés, et de décrire l’organisation structurale propre à chaque état, en mettant l’accent sur les écarts par rapport aux comportements idéalisés.Dans le troisième axe de recherche, un dispositif DSC–IR sur mesure est employé pour enregistrer simultanément les thermogrammes et les spectres infrarouges. Cette configuration permet de suivre directement les variations de composition lors des cycles thermiques et de déterminer spectroscopiquement les températures de transition de phase, confirmant et complétant les données obtenues par DSC. Cette méthodologie intégrée offre une approche novatrice pour évaluer la stabilité, l’évolution structurale et les performances thermiques des MCPs au fil de cycles de transition répétés.En combinant la rhéologie, la RMN PFG et le couplage DSC–IR dans un cadre analytique unique, ce travail apporte de nouvelles connaissances sur le comportement des composites MCP–cellulose, établit des corrélations entre structure et propriétés thermiques, et propose une preuve de concept pour la production à grande échelle de matériaux de stockage d’énergie thermique biosourcés. Les résultats devraient contribuer à faire progresser à la fois la compréhension fondamentale et l’applicabilité pratique de composites durables destinés à la gestion thermique.