Compréhension et caractérisation de l’imprégnation et du séchage d’un hydrogel biosourcé pour le pliage de structures papier architecturées

Dans le contexte de la transition écologique, le développement de matériaux recyclables, à base de matière renouvelable et biodégradable est nécessaire. Les matériaux cellulosiques, tels que les papiers et cartons, sont de bons candidats mais présentent de faibles propriétés mécaniques structurelles lorsqu’ils sont utilisés sous forme de feuilles. Néanmoins, avec une structure plus complexe, comme les âmes de panneaux sandwich, ils permettent d’obtenir des structures alliant résistance mécanique et légèreté. Afin de réaliser des formes complexes, difficilement atteignables avec des machines de pliage mécanique, un mécanisme de pliage par impression et retrait au séchage de lignes d’hygrogel biosourcé est étudié. L’objectif des travaux est de comprendre et de caractériser les plis obtenus en s’intéressant, d’une part, à l’imprégnation du gel dans le substrat papier et, d’autre part, aux déformations subies par l’assemblage papier–hydrogel au cours du séchage, en fonction des propriétés des matériaux et des conditions de dépôt. L’enjeu de la thèse réside donc dans la compréhension des interactions entre l’hydrogel et le papier dans ces phases d’imprégnation et de séchage, qui induisent de fortes variations du comportement mécanique non linéaire des matériaux.Une première partie pose un cadre d’étude en réalisant un état de l’art sur les matériaux et phénomènes impliqués dans le mécanisme de pliage, généralement étudiés séparément dans la littérature. Des modèles prédictifs de la flexion d’assemblages de lames élastiquement déformées par des variations dimensionnelles relatives sont présentés. Puis, des travaux portant sur l’imprégnation de fluides à seuil en milieux poreux, sur les variations de propriétés mécaniques et les déformations d’hydro-expansion du papier induites par contact avec l’eau, ainsi que sur le séchage des gels et papiers, sont rapportés.Après la description des matériels et méthodes, une première campagne expérimentale porte sur l’imprégnation d’hydrogels de nanocristaux de cellulose (NCC) dans un papier blanchi produit en laboratoire. Les essais de remontée capillaire de gels concentrés en NCC de 6 à 12 %wt dans des bandelettes de papier montrent qu’indépendamment de la concentration, une partie de l’eau quitte le gel et circule dans les parois fibreuses. La hauteur de remontée, mesurée entre 4 mm à 6 %wt et 0 mm à 10–12 %wt, est ainsi limitée par l’augmentation de la concentration du gel liée au transfert d’eau vers le papier.La seconde étude expérimentale analyse le pli de bandelettes obtenu après impression et séchage de lignes d’hydrogel, en fonction de la concentration et de la géométrie de dépôt. À faible concentration (≤ 8 %wt), les NCC pénètrent toute l’épaisseur du papier, empêchant la flexion lors du séchage. À plus haute concentration (≥ 10 %wt), la pénétration est partielle et les NCC forment une couche qui se rétracte en surface. La courbure obtenue dépend alors principalement de l’épaisseur de cette couche. Le modèle bilame élastique de Timoshenko explique en partie les résultats, mais le comportement non linéaire des matériaux limite encore la compréhension du mécanisme.