Après l'estérification étudiée à l'Université d'Artois, la seconde propriété ciblée par VALCELMAT — la résistance au feu — fait l'objet des travaux menés à Materia Nova. L'ambition : remplacer les retardateurs de flamme conventionnels par des additifs entièrement biosourcés. La cellulose s'y prête dès lors qu'on lui greffe du phosphore, qui oriente sa dégradation thermique vers la formation d'un char protecteur. Encore faut-il y parvenir sans chimie en solution : les voies classiques opèrent en solvant organique, souvent avec catalyseur et chauffage prolongé, ce qui pèse sur le bilan environnemental du procédé.
Un greffage par voie mécanochimique
D'où le choix de la mécanochimie, qui active la réaction par l'énergie mécanique plutôt que par un milieu réactionnel liquide : la cellulose microcristalline est traitée en présence de pentoxyde de phosphore (P₂O₅) dans un broyeur planétaire à billes, une heure, à température ambiante et sans solvant. Trois rapports cellulose/P₂O₅ ont été comparés.
Avec le plus fort excès de P₂O₅, le matériau adopte un comportement particulier : le contact avec une faible quantité d'eau déclenche une réaction exothermique, une expansion et un noircissement. Les analyses Raman et FTIR montrent une conversion de la cellulose en structure graphitique — jusqu'ici rapportée uniquement au-delà de 200 °C. Le taux de greffage atteint 17,3 % en masse de phosphore, dans la gamme haute des valeurs publiées, et le résidu charbonné à 500 °C passe de 6 % pour la cellulose native à 67 %.
Figures reproduced from S. Dropsit et al., Polymer Degradation and Stability, 242 (2025) 111632, © Elsevier
Efficacité au feu et tenue mécanique
Incorporée dans un polypropylène à 12,5 % en masse seulement, cette cellulose phosphorylée réduit de 55 % le pic HRR au cône calorimètre (410 contre 910 kW·m⁻² pour le PP vierge) ; les deux autres grades, pourtant chargés à 30 %, ne dépassent pas 25 % de réduction. L'effet tient à la combinaison d'une teneur élevée en phosphore, actif en phase condensée, et de la structure graphitique qui stabilise le char.
Figures reproduced from S. Dropsit et al., Polymer Degradation and Stability, 242 (2025) 111632, © Elsevier
La ductilité, souvent sacrifiée par les charges ignifugeantes, est ici préservée : l'allongement à la rupture reste de 35,5 %, contre 2,8 % pour un composite chargé à 30 % de cellulose non modifiée. La faible densité apparente et la teneur réduite en hydroxyles de la cellulose modifiée semblent améliorer sa compatibilité avec la matrice polyoléfine.
Vers un matériau à la fois hydrophobe et résistant au feu
Les deux volets du projet viennent de converger. La cellulose phosphorylée produite à Materia Nova a été incorporée par extrusion, à hauteur de 30 % en masse, aux esters d'acide gras de cellulose (FACE C12) synthétisés à l'Université d'Artois, dont le caractère hydrophobe a été présenté dans une précédente newsletter. L'objectif : réunir dans un même matériau biosourcé l'hydrophobicité apportée par l'estérification et la tenue au feu apportée par la phosphorylation.
Les premiers extrudats ont été obtenus et leur comportement au feu sera évalué dans les prochaines semaines. En parallèle, les conditions de procédé sont en cours d'optimisation en vue d'une montée en échelle.
