Swelling and dissolution mechanisms of native cellulose fibres
Etude des mécanismes de gonflement et de dissolution des fibres de cellulose native
Résumé
Cellulose is a natural polymer, which belongs to polysaccharide family. Cellulose offers numerous product development opportunities but cellulose is difficult to process: it can not be melted. Thus cellulose must be either solubilised or derivetised. This is the main reason that pushed us to study and understand the swelling and dissolution mechanisms of native cellulose fibres (cotton, wood, sisal, abaca, hemp, flax and ramie). Data obtained with cotton and wood samples without outer layers, and cellulose derivatives allow us further information. The chemical agents, investigated as solvent or swollen agents, are aqueous (N-methylmorpholine N-oxide - water with various water content, or sodium hydroxide - water - additives) or ionic liquids. We identified five modes describing the behaviour of cellulose native fibres dipped in chemical agents: Mode 1: fast dissolution by disintegration into fragments Mode 2: large swelling by ballooning, and dissolution Mode 3: large swelling by ballooning, and no dissolution Mode 4: homogeneous swelling, and no dissolution Mode 5: no swelling, and no dissolution Despite the morphological differences between the different types of vegetal fibres or cellulose derivatives, they all follow the same modes of swelling and dissolving. We can distinguish different zones with one fibre during the ballooning. The three main components are the followings: the balloons, the membrane (surrounded the balloons with helicoidal feature) and the unswollen section. Each of these parts undergoes a typical swelling and dissolution behaviour. The components of the balloon membrane are the primary wall, plus part of the secondary wall. The membrane is the most difficult part to dissolve. Cellulose inside the balloons is not only swollen, but dissolved. The swelling and dissolution mechanisms of native cellulose fibres are not determined by the chemical nature of chemicals tested as solvent systems. Even if the quality of solvent plays a major role concerning the induced mechanisms, the key parameter is the morphological architecture of native cellulose fibres.
La cellulose, polymère naturel appartenant à la famille des polysaccharides, est non fusible. Pour la mettre en forme, il est donc nécessaire soit de la dériver, soit de la solubiliser. L'objectif de notre travail est de préciser les mécanismes qui conduisent à la dissolution de la cellulose native. Cinq mécanismes sont observés lors de cette étude, basée sur des fibres de cellulose native d'origine diverse (coton, bois, ramie, jute, lin, chanvre, sisal et abaca). Chaque échantillon est observé dans une large gamme de systèmes aqueux (NMMO - eau à différentes teneurs en eau ou hydroxyde de sodium - eau - additif) et des liquides ioniques. Des données recueillies sur des échantillons dépourvus de leurs parois externes suite à un traitement enzymatique, ainsi que des dérivés cellulosiques, viennent compléter cette étude. Nous avons identifié cinq mécanismes de gonflement et de dissolution de fibres de cellulose native : Mode 1: dissolution rapide par désintégration de la fibre en fragments Mode 2: gonflement par ballonnement, dissolution de toute la fibre Mode 3: gonflement par ballonnement, dissolution partielle de la fibre Mode 4: gonflement homogène, non dissolution de la fibre Mode 5: pas de gonflement ni de dissolution (cas d'un système non solvant) Malgré les différences morphologiques entre toutes les fibres de cellulose testées et les dérivés cellulosiques, les mécanismes de gonflement et de dissolution restent similaires. Trois zones le long des fibres de cellulose sont définis lors d'un mécanisme impliquant un gonflement par ballonnement: les ballons, la membrane des ballons, les sections non gonflées (zones situées entre les ballons). Chacune de ces zones présentent un mécanisme de dissolution particulier. Le mode 2 est donc détaillé en 4 étapes. Les ballons sont des entités constituées d'une membrane (paroi primaire, plus une partie de la paroi secondaire), caractérisée par une structure hélicoïdale. La membrane est la partie de la fibre la plus difficile à dissoudre. Il est important de noter que la cellulose à l'intérieur des ballons est dissoute. Les mécanismes de gonflement et de dissolution ne sont pas liés à la nature chimique des agents solvants. La qualité du solvant influe évidemment sur le mode de dissolution induit, mais le facteur clé des mécanismes est la structure morphologique de la fibre.
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