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          Last update : July 2, 2012
Surface modification of cellulose by the organosilanes

Modification de surface de la cellulose par les organosilanes


Olivier Paquet

Grenoble INP-Pagora


PhD thesis defended on June 6, 2012
Thèse soutenue le 6 Juin 2012

LGP2

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Abstract

   


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This thesis describes the chemical modification of cellulosic fibers by organosilanes. The reactions of silanes bearing various functional groups were carried out in pure aqueous solution and followed in-situ by nuclear magnetic resonance spectrometry. The effect of pH, concentration, and temperature on the reaction kinetics was studied. Aminosilanes could be processed in conditions similar to those commonly used in the papermaking.

Furthermore, the adsorption of the most promising grafting agents on model cellulose surfaces was investigated by mean of a quartz crystal microbalance, and the effect of the same parameters was evaluated. This study showed that a good surface coverage is attained rapidly, i.e., within only a few minutes. Then, a slower but continuous adsorption was observed over time. The nature of the interactions between various silanes and cellulose was tested. It was shown that the grafting was successfully performed, thus giving rise to the formation of strong interactions between the adsorbate and the adsorbent.

Finally, two types of fibers (softwood and hardwood) were used in order to evaluate the effect of organosilanes on mechanical properties and the softness of paper. The results obtained showed quite modest effects, even though the success of the grafting was assessed on both type of fibers.

 

Résumé

Cette thèse traite de la modification de fibres de cellulose, en solutions purement aqueuses, par les organosilanes. Les réactions en phase aqueuse de silanes portant différents groupements chimiques réactifs ont été évaluées in-situ par spectrométrie par résonance magnétique nucléaire. L'influence de divers paramètres (pH, concentration, température) a été étudiée. Les aminosilanes se sont montrés particulièrement adaptés à l'utilisation en conditions correspondant à celles couramment utilisées dans le procédé papetier.

En outre, l'adsorption des agents chimiques les plus prometteurs sur des surfaces modèles de cellulose a été testée par la technique microbalance à quartz, en fonction des mêmes paramètres. Cette étude a montré qu'une bonne couverture de la surface est atteinte avec des cinétiques de quelques minutes, et a été suivie d'une légère adsorption continue dans le temps. La nature des interactions entre divers silanes et la cellulose a été testée : elle a révélé que le greffage, réalisé avec succès dans ce travail, relève d'interactions fortes.

Enfin, deux types de fibres (résineux et feuillus) ont été utilisés afin de mesurer le potentiel d'utilisation des organosilanes pour répondre à une problématique industrielle impliquant les propriétés mécaniques du papier et sa douceur. Des résultats mitigés ont été obtenus, bien que le succès du procédé de greffage ait été avéré pour les différentes fibres.

 

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