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Conception, élaboration et production d'agrocomposite à partir de tourteau de tournesol : étude du procédé d'extrusion-formulation-granulation et d'injection-moulage

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

  • redaction

  • mémoire


THÈSE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse Discipline ou spécialité : Sciences des Agroressources JURY Mme Françoise SILVESTRE, Professeur INP Toulouse, Présidente M. Philippe CASSAGNAU, Professeur IMP/LMPB Villeurbanne, Rapporteur M. Patrice DOLE, Chargé de Recherche INRA Reims, Rapporteur M. Luc RIGAL, Ingénieur de Recherche INP Toulouse Ecole doctorale : Sciences de la Matière Unité de recherche : Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle (UMR 1010 INRA/INP-ENSIACET) Directeur(s) de Thèse : Luc RIGAL, Ingénieur de Recherche Rapporteurs : Noms des rapporteurs (s'ils ne font pas partie des membres du jury) Présentée et soutenue par Julien HUMBERT Le 19 décembre 2008 Titre : Conception, élaboration et production d'agrocomposite à partir de tourteau de tournesol : étude du procédé d'extrusion-formulation-granulation et d'injection-moulage

  • professeur marie-elisabeth

  • ecole doctoral

  • supérieure des ingénieurs en arts chimiques

  • société ab7

  • ingénieur de recherche inp

  • chimie agro-industrielle de l'ecole nationale

  • inp - ensiacet


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Publié le 01 décembre 2008
Nombre de lectures 27
Langue Français
Poids de l'ouvrage 3 Mo

Exrait













THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Sciences des Agroressources


Présentée et soutenue par Julien HUMBERT
Le 19 décembre 2008


Titre : Conception, élaboration et production d'agrocomposite à partir de tourteau
de tournesol : étude du procédé d'extrusion-formulation-granulation
et d'injection-moulage

JURY

Mme Françoise SILVESTRE, Professeur INP Toulouse, Présidente
M. Philippe CASSAGNAU, Professeur IMP/LMPB Villeurbanne, Rapporteur
M. Patrice DOLE, Chargé de Recherche INRA Reims, Rapporteur
M. Luc RIGAL, Ingénieur de Recherche INP Toulouse


Ecole doctorale : Sciences de la Matière
Unité de recherche : Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle (UMR 1010 INRA/INP-ENSIACET)
Directeur(s) de Thèse : Luc RIGAL, Ingénieur de Recherche
Rapporteurs : Noms des rapporteurs (s'ils ne font pas partie des membres du jury)

à Delphine,
à mes parents

1 2 Remerciements


Les travaux de recherche qui font l’objet de ce mémoire ont été réalisés au Laboratoire de
Chimie Agro-Industrielle de l’Ecole Nationale Supérieure des Ingénieurs en Arts Chimiques
et Technologiques (ENSIACET, Institut National Polytechnique de Toulouse), dirigé par le
Professeur Marie-Elisabeth BORREDON.
Madame le Professeur Marie-Elisabeth BORREDON, je vous remercie de m’avoir accueilli
au sein votre laboratoire.
Messieurs Philippe Cassagnau et Patrice Dole, je vous suis très reconnaissant d’avoir accepté
de juger mon travail, et d’avoir pris le temps de rapporter ce mémoire peut être un peu trop
long à votre goût.
Madame le Professeur Françoise SILVESTRE, je tiens à vous exprimer ma profonde gratitude
pour avoir accepter de présider le jury.
Cette thèse s’est déroulée sous la direction de Monsieur Luc RIGAL, que je remercie pour sa
confiance, sa disponibilité et son écoute.
Je tiens également remercier la société AB7 industries pour avoir financé cette thèse, et plus
particulièrement Monsieur Urbain Makoumbou qui m’a accueilli et suivi tout au long de ces
travaux. Urbain, même si nous ne partagions pas toujours le même point de vu, tes conseils et
ton écoute m’ont été très utiles, exception faite au niveau footballistique où ton admiration
pour Sydney Govou faussait ton jugement…
Je veux également remercier tous mes collègues d’AB7 industries et notamment Christian, les
blondes, Muriel, Tony, mon « petit » stagiaire Bertrand, et Clément qui fut un piètre amiral
mais certainement le notaire le plus rock que je connaisse.

Ces trois ans de thèse passés au Laboratoire de Chimie Agroindustielle ont été riches tant au
niveau scientifique, que sur le plan humain… Je tiens donc à remercier les nombreuses
personnes qui m’ont accompagné durant cette période.
Je veux particulièrement remercier Cathy, Anne, Virginie et Didier pour leur aide durant les
manips, ainsi que Michel qui n’a jamais refuser de m’ouvrir le labo même en dehors des
horaires d’ouvertures. Merci également aux secrétaires du Labo et spécialement à Marie-
Christine pour son aide à distance dans la rédaction du manuscrit.

3 Amis thésards je vous avais promis de tous « déballer » ce que j’ai sur le cœur lors de mes
remerciements, mais finalement, avec le recul de ma nouvelle vie j’ai décidé de faire amende
honorable et ne déterrais donc pas les vieux dossiers. Je ne parlerai donc pas des pipelettes,
Florina, Céline, Aurélie et Caroline dont les trois premières sont à présent mariées, sans doute
l’effet thèse…Benoît t’es le prochain !!! Je me tairai également sur les penchants pour l’alcool
d’Emilie, scout toujours prêt pour l’apéro !!! et quand on parle d’apéro Dorothée n’était
jamais loin non plus… Laurent peut être le plus malin d’entre nous, parti pour travailler sur
les fibres de chanvre…Philippe, supporter Nantes est déjà un lourd fardeau je n’en rajouterai
pas d’avantage, tu as toute ma sympathie. Lupita je ne te pardonnerai jamais d’avoir voulu me
tuer avec un verre de tequila frelatée. Je passerai sous silence les parties désespérées de
QPUC de Sylvain, certainement le plus grand sycophante du labo, n’oublie jamais que la
barbe ne fait pas le philosophe, pas plus que l’os ne fait le jambon. Antoine pourquoi a-t-il
fallu attendre mon départ du LCA pour avoir une équipe du PSG à peu près potable, cela
t’aurais évité de nombreuses moqueries et tu aurais garder tes bouteilles de champagne. Laure
le plus gros transfert de l’équipe agromatériaux, je te laisse l’EVOLUM bichonne là comme je
l’ai fait. Jérôme arête de courir avec ce short où tu risques de finir en prison pour
exhibitionnisme, même Paris Hilton ne porterait pas un truc si court. Avant de le jeter donne
le à Eric histoire de voir si il peut faire du sport car personne ne l’a jamais vu. Fabien je te
remercie d’avoir fait tomber les clichés que j’avais sur les rugbymen, notamment sur les
fameuses troisièmes mi-temps qui ressemblent plus à des goûters/tisanes qu’à autre chose (du
moins à Balma…). Je ne remuerai pas le couteau dans la plaie en parlant des amours déchus
d’Olivier qui est la preuve vivante que l’on peut toucher le fond du seau et revenir à son
zénith en moins d’une thèse. Par-dessus tout je ne n’évoquerai pas les vies sentimentales de
Mathieu et Matthieu car il me faudrait rédiger le volume d’une seconde thèse et je n’en ai pas
le courage. Vos histoires font passer les feux de l’amour pour des épisodes des bisounours et
les liaisons dangereuses pour l’île aux enfants. Je ne peux dire lequel à fait le plus fort, je ne
peux que vous donner un conseil, Mathieu avec le genre d’insecte que tu as sur ton balcon,
change ta tapette à mouche pour une batte de baseball. Matthieu bien que tu pratiques le
Polonais évite d’y aller…



Merci à tous du fond du cœur.
4 Introduction........................................................................................................................... 6

Chapitre I. : Bilan bibliographique. .......................................................................... 13
I.1. Introduction .............................................................................................................. 15
I.2. Les Plastiques........................................................................................................... 18
I.2.1. Les polymères .................................................................................................. 18
I.2.2. Les plastifiants des polymères 27
I.2.3. Les charges des plastiques................................................................................ 41
I.2.4. Les lubrifiants des plastiques ........................................................................... 42
I.2.5. Les autres additifs des plastiques ..................................................................... 43
I.3. La biodégradabilité : définition et normes ............................................................... 45
I.3.1. Définitions de la biodégradabilité .................................................................... 46
I.3.2. Normes de biodégradabilité ............................................................................. 49
I.3.3. Relation entre la structure du polymère et sa biodégradation .......................... 50
I.4. Les polymères biodégradables ................................................................................. 51
I.4.1. Les polymères biodégradables issus de l’industrie pétrochimique .................. 51
I.4.2. Les polymères biodégradables issus des agroressources ................................. 56
I.5. Les biocomposites .................................................................................................... 75
I.5.1. Les composites ................................................................................................. 75
I.5.2. Les fibres végétales .......................................................................................... 77
I.5.3. Les matrices biodégradables ............................................................................ 78
I.6. Les agromatériaux : un nouveau type de biocomposites.......................................... 83
I.6.1. Le tourteau de tournesol : une base d’agromatériau ........................................ 86
I.6.2. Description du tourteau de tournesol ............................................................... 87
I.6.3. Transformation du tourteau de tournesol en agromatériau .............................. 88

Chapitre II. Etude de la transformation du tourteau de tournesol en
agrogranulat biocomposite thermoplastique........................................................... 93
II.1. Caractéristiques et propriétés du tourteau de tournesol pour sa transformation en
agromatériau......................................................................................................................... 95
II.1.1. Composition du tourteau de tournesol et propriétés thermiques des protéines 95
II.1.2. Analyse PVT des extraits protéique et du tourteau de tournesol ..................... 97
II.1.3. Analyse Mécanique Dynamique des extraits protéiques et du tourteau de
tournesol ........................................................................................................................ 106
II.1.4. Comportement rhéologique en phase fondue des extraits protéique et du
tourteau de tournesol ...................................................................................................... 110
II.2. Étude de l’extrusion granulation des tourteaux de tournesol ................................. 115
II.2.1. Extrusion-granulation du tourteau de tournesol avec l’eau comme seul
plastifiant 118
II.2.2. Extrusion-granulation du tourteau de tournesol avec l’eau et le sulfite de
sodium 130
II.2.3. Extrusion-granulation du tourteau de tournesol en présence de glycérol ...... 139
II.2.4. Conclusion pour l’extrusion-granulation du tourteau avec l’eau, le glycérol et
le sulfite ........................................................................................................................ 148
II.2.5. Production des agrogranulats de tourteau de tournesol par extrusion-
granulation avec l’eau, le glycérol et le sulfite de sodium ............................................. 149
II.3. Etude de la coextrusion-granulation du tourteau de tournesol et de biopolymères 153
II.3.1. Conclusions pour la coextrusion-granulation des mélanges tourteau de
tournesol-biopolymères.................................................................................................. 164
5 II.4. Etude de l’extrusion-compoundage-granulation du tourteau de tournesol avec des
polymères biodégradables .................................................................................................. 166
II.4.1. Extrusion-compoundage-granulation avec l’alcool polyvinylique (PVA)..... 168
II.4.2. Extrusion-comge-granulation avec le polycaprolactone (PCL) ......... 174
II.4.3. Production des agrogranulats Tourteau/PCL ................................................. 181
II.5. Conclusion.............................................................................................................. 182

Chapitre III.. Etude du moulage des agrogranulats composites de tourteaux
de tournesol par injection pressage .......................................................................... 185
III.1. Description du procédé d’injection-moulage appliqué à la mise en forme des
agrogranulats : .................................................................................................................... 187
III.1.1. Description de la presse à injecter :................................................................ 189
III.1.2. Choix des conditions de plastification des agrogranulats .............................. 193
III.1.3. Choix des conditions d’injection des agrogranulats dans un moule .............. 200
III.2. Etude de l’injectabilité des agrogranulats à base de tourteau de tournesol :...... 207
III.3. Caractérisation mécanique des éprouvettes d’agrogranulats injectés ................ 210
III.3.1. Influence de la composition des agrogranulats sur le retrait.......................... 211
III.3.2. Influence de la composition des agrogranulats sur les résistances mécaniques...
........................................................................................................................ 215
III.4. Conclusions sur le moulage par injection-pressage des agrogranulats à base de
tourteau de tournesol .......................................................................................................... 221

Chapitre IV. : Un exemple d’application, les pots horticoles......................... 223
IV.1. Définition du cahier des charges pour un pot de repiquage horticole................ 225
IV.2. Elaboration du moule de pot de repiquage......................................................... 227
IV.3. Choix des agrogranulats à base de tourteau de tournesol pour l’injection-moulage
des pots de repiquage ......................................................................................................... 230
IV.4. Production de préséries de pots de repiquage .................................................... 233
IV.4.1. Production des agrogranulats ......................................................................... 233
IV.4.2. Production des pots de repiquage................................................................... 238
IV.5. Conclusion.......................................................................................................... 240

Conclusion Générale .................................................................................................. 234


Partie Expérimentale ................................................................................................. 238


Références bibliographiques ................................................................................... 257



6
Introduction

L’approvisionnement en matières premières a de tout temps été l’un des points-clefs du
développement des activités de l’homme, avec l’acquisition de connaissances et la maîtrise de
l’énergie. En 5000 ans, la gestion des ressources a toujours été un enjeu stratégique, source
d’échanges mais aussi de conflits, qui est passé d’une échelle locale à l’échelle planétaire. Cet
enjeu est encore plus sensible, en ce début de troisième millénaire, avec la perspective
d’augmentation de la population mondiale, et donc de la demande en produits alimentaires, en
énergie et en produits manufacturés. L’augmentation des activités de transformation des
ressources et de consommation des produits qui en résultent se traduit par un impact
environnemental croissant, qui lui aussi est passé, en moins d’un siècle, d’une échelle locale à
l’échelle planétaire. A la question de l’épuisement des matières premières vient s’ajouter celle
de l’impact de leur exploitation sur la génération de gaz à effet de serre, à l’origine du
réchauffement climatique, et de l’accumulation des déchets.

Le pétrole est sans aucun doute actuellement l’une des matières premières autour de
laquelle se cristallisent le plus d’interrogations. Objet d’un extraordinaire développement
industriel au cours du vingtième siècle, les très nombreux produits auxquels il conduit, à
travers son cracking, son raffinage et toute la synthèse organique élaborée à partir des
synthons, sont omniprésents dans notre quotidien (gaz, carburants et fuels, solvants, huiles et
paraffines, bitumes, etc.). Les matières plastiques d’origine pétrochimique, dont la fabrication
représente 4 % de la consommation mondiale de pétrole, en sont un exemple remarquable.
Leur très vaste gamme de propriétés mécaniques, qui s’étend de celles des composites haute
performance pour la fabrication d’éléments de structure, à celles des polymères pour
l’emballage, associées à leur aptitude à la mise en forme, à leur stabilité et leurs effets
barrières vis-à-vis de l’eau et des agents bactériens et fongiques, et enfin à leur excellent
rapport coût/performance dans de nombreux domaines, ont conduit à la substitution de
multiples autres matériaux dans de nombreux secteurs d’application (le bois, les papiers et
cartons, les fibres naturelles et les métaux dans le bâtiment, l’aménagement des espaces, la
construction aéronautique, ferroviaire, navale et automobile, la mécanique et
l’électromécanique, l’électroménager, le textile, la décoration, le loisir, l’emballage et de
nombreux usages domestiques etc.). Cependant, que son origine soit l’épuisement de la
7 ressource non renouvelable qu’il constitue, l’instabilité politique et les conflits qui touchent
les pays producteurs, l’inadéquation de la capacité d’extraction et de transformation avec la
demande du marché, ou encore la spéculation, l’augmentation spectaculaire du prix du baril
de pétrole en 30 ans, et son doublement en un an, a largement contribué au regain d’intérêt
pour les ressources renouvelables ; d’autant plus que cette crise économique coïncide avec la
prise de conscience collective de la nécessité de réduire les rejets de CO , et donc le 2
prélèvement sur le carbone fossile, responsable d’une grande partie de ces émissions,
essentiellement à travers la production d’énergie, que ce soit pour l’industrie, le transport ou
la thermorégulation de l’habitat. Les très importants programmes de recherche et
développement mis en place sur les solutions alternatives pour la production d’énergie
(solaire, éolienne, hydraulique, géothermique, pile à combustible, biocarburants, etc.), dont
certaines sont d’ores et déjà présentes dans notre quotidien de consommateur, associés à une
politique systématique d’économie d’énergie, permettront sans aucun doute de diminuer la
pression économique et environnementale du carbone fossile. La directive européenne sur les
biocarburants (8 mai 2003) qui vise pour 2020 la substitution de 20 % des carburants fossiles
par des biocarburants illustre parfaitement cet objectif dans le domaine de l’énergie.

Mais l’énergie n’est pas le seul domaine en question pour un développement durable.
Les molécules pour la chimie et les utilités, et les matériaux font aussi l’objet d’une double
interrogation : il y a toujours la question du prélèvement de carbone fossile, mais surtout celle
du devenir des produits en fin de vie. Leur recyclage direct comme matière première, outre
qu’il n’est pas toujours techniquement possible, n’est pas sans poser le problème de la
collecte, du tri et de la dilution dans nos déchets ; la combustion, outre la production de CO , 2
pose le problème de l’épuration des fumées. Enfin, les produits d’origine pétrochimique sont
peu ou pas biodégradables, peu compatibles avec le cycle court de régénération de biomasse,
et donc posent le problème de gestion des espaces pour l’enfouissement, en particulier de
transfert de matière dans les eaux, voire d’accumulation dans la chaîne alimentaire. C’est
probablement dans ces domaines que la biomasse, comme ressource renouvelable, et plus
spécifiquement les agroressources, à travers le développement de la bioraffinerie (le
fractionnement à l’image du craking et du raffinage pétrolier) et l’élaboration d’une «chimie
verte», peuvent apporter une solution, durable si elle respecte les contraintes :

- de préservation des sols, d’adéquation à la ressource en eau, d’économie
d’intrant et de préservation de la biodiversité, pour la production et
8 l’exploitation des sources agricoles, sylvicoles et marines, à l’équilibre avec la
demande pour l’alimentation humaine,

- de minimisation des coûts en énergie et en matière, et des effluents et rejets
pour les procédés,

- de recyclage en fin de vie des produits, intégrable dans le cycle de
régénération de biomasse, sans provoquer plus d’émission de CO que n’en 2
consommerait la production de l’agroressource, ni provoquer l’accumulation
de produits écotoxiques.

C’est dans cette perspective que se situent les travaux de recherche développés au
Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle, depuis de nombreuses années. En particulier, le
tournesol, dont la culture est largement développée en région Midi-Pyrénées (180 000 ha
cultivés en 2005), en France (600 000 ha) et dans l’Union Européenne (3 600 000 ha) a fait
l’objet d’études visant à proposer de nouvelles voies de transformation, intégrables dans le
schéma d’une bioraffinerie de la plante entière, et alternatives au fractionnement des graines
pour la production d’huiles alimentaires et de tourteaux pour l’alimentation animale :
















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