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Étude du comportement sous pression mécanique uniaxiale de la cellulose et de l’amidon (natif et amorphe) : influence de la température et du taux d’hydratation

Jallabert, Bastien (2014) Étude du comportement sous pression mécanique uniaxiale de la cellulose et de l’amidon (natif et amorphe) : influence de la température et du taux d’hydratation. (Behaviour of cellulose and starch (native and amorphous) under uniaxial mechanical pressure: influence of temperature and moisture content.)

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Résumé

Le projet HYPMOBB vise à évaluer un procédé de mise en œuvre de matière végétale par thermo-compression. Dans le cadre de ce projet, les travaux présentés ont pour objectif d’étudier le comportement des polysaccharides sous haute contrainte mécanique (0-300 MPa) et thermique (25-200°C). Trois variétés de biopolymères ont été choisies : la cellulose, l’amidon natif de pomme de terre et ce même amidon après gélatinisation. Elles représentent trois modèles différents d’organisation: hautement cristalline sans fusion, semi-cristalline avec fusion et complétement amorphe. La démarche employée consiste dans un premier temps à analyser les données Pression-Volume-Température (PVT) obtenues à l’aide d’un dilatomètre. Les diagrammes PVT fournissent des indications précieuses sur les effets combinés de la température et de la pression. A ces deux paramètres a été ajouté l’impact de la teneur en eau sur les comportements lors de la compression. Des méthodes ont été mises au point afin d’extraire des mesures PVT, les différentes transformations thermiques (fusion, transition vitreuse) des trois polymères modèles. Pour chaque situation, l’objectif était de déterminer une tendance nette en fonction de l’humidité et de la pression puis de prédire par extrapolation les valeurs à pression nulle. Les résultats obtenus ont été comparés aux analyses classiques DSC et la bonne concordance des mesures a permis de valider les méthodes mises au point. Dans un second temps, les diagrammes PVT ont été modélisés à l’aide de l’équation de Tait. Pour les polymères cristallins, l’ajustement des courbes expérimentales à l’aide de ce modèle n’a pas été concluant. Néanmoins, la bonne modélisation du comportement PVT de l’amidon amorphe et la cohérence des paramètres déterminés a permis de valider le modèle de Tait. Pour finir, dans le but d’étudier l’effet du traitement thermique et mécanique sur la morphologie et les propriétés des compacts mis en forme, des études AMD et DRX ont été réalisées. Bien que les échantillons aient été conditionnés dans des conditions identiques, les études ont montré que la matière gardait en mémoire les conditions de leur traitement. De plus, en accord avec les analyses PVT, les matières les plus organisées, ont présenté lors de la mise en forme à chaud, la formation de liaisons/fusions inter-particulaires qui permettent d’assurer leur cohésion. ABSTRACT : The HYPMOBB project aims to evaluate a vegetable material molding process by hot high pressure compression. In the context of this project, the objective of this work is to study the behaviour of carbohydrates under thermal and pressure constraints. Three biopolymer varieties have be chosen: cellulose, native potato starch and gelatinized starch which represented three different models of organisation: highly crystalline without fusion, semi-crystalline with fusion and totally amorphous. The approach used consists first into analysing the Pressure-Volume-Temperature data obtained by a dilatometer. PVT diagrams provide good indications of combined effects of temperature and pressure. In addition of these two parameters, the moisture content impact on the behaviour of these carbohydrates during thermal and mechanical treatment has been studied. Methods have been established in order to retrieve different thermal events (fusion, glass transition) of the three polymers from PVT measurements. For each situation, the objective was to determine a clear trend according to moisture content and pressure and then to predict by extrapolation these transition temperatures at atmospheric pressure. The obtained results have been compared to classical DSC analysis and the close concordance of the measurements allowed the validation of the established methods Secondly, diagrams have been modelled with Tait equation. For crystalline polymers, the experimental curves adjustment with this model hasn’t been concluant. However the good modelling of amorphous starch behaviour and the good concordance of the determined parameters has permitted to validate the Tait model. Finally, in order to study the effect of the compression treatment on compacts properties and morphologies, DMA and XRD analyses have been carried out. Even if the samples have been conditioned in the same conditions, the studies have shown that the materials keep the memory of the treatment conditions. Moreover, in accordance with the PVT analysis, the most organised raw materials have presented after compression molding the formation of interparticles necks/fusions allowing their cohesion.

Département ou laboratoire:Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle - LCA (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Cazalbou, Sophie et Rouilly, Antoine
Mots-clés:Polymères - Cellulose - Amidon - Modélisation - Simulation - Équation de Tait - PVT. KEYWORDS : Polymers - Cellulose - Starch - Modelling - Simulation - Tait equation - PVT
Sujets:Physique de la matière
Génie des matériaux > Biomatériaux
Déposé le:06 Mars 2015

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