Concevoir les polymères durables de demain : expérimentation et modélisation multi-échelle de matériaux biosourcés à base de lignine

Comment remplacer les polymères issus du pétrole par des matériaux durables, performants et respectueux de l'environnement ?

Cette question constitue aujourd'hui l'un des défis majeurs de la transition écologique et industrielle.

La transition vers une économie bas carbone nécessite le développement de nouveaux matériaux capables de concilier performance, durabilité et sobriété environnementale. Dans ce contexte, la lignine représente une ressource biosourcée particulièrement prometteuse. Coproduit abondant des industries papetières et des bioraffineries, la lignine possède des propriétés intrinsèques intéressantes telles que des capacités antioxydantes, antibactériennes, hydrophobes et retardatrices de flamme. Toutefois, sa structure complexe et sa faible compatibilité avec de nombreuses matrices polymères limitent encore son utilisation dans des applications à haute valeur ajoutée.

Le projet interdisciplinaire CDP-LILLEGNIN vise à développer une chaîne de valorisation complète de la lignine, allant de son extraction jusqu’à son intégration dans des applications innovantes telles que les textiles techniques, les matériaux retardateurs de flamme, l’électronique durable et les carburants biosourcés. Soutenu par l’Initiative d’Excellence de l’Université de Lille et le programme France 2030, LILLEGNIN ambitionne de faire émerger à Lille un pôle de référence international dans le domaine de la valorisation de la lignine et des matériaux biosourcés. Dans ce cadre, la compréhension et la prédiction du comportement mécanique des nouveaux matériaux lignine-polymère constituent un verrou scientifique majeur.

L’incorporation de lignine modifiée dans des matrices polymères modifie fortement les propriétés mécaniques, thermomécaniques et hygromécaniques des matériaux obtenus. Une caractérisation avancée couplée à des approches de modélisation multi-échelle est donc indispensable afin d’optimiser les formulations développées dans le projet et d’évaluer leur potentiel de substitution aux polymères conventionnels.

Le doctorant évoluera dans un environnement fortement interdisciplinaire, à l’interface entre mécanique, matériaux, chimie verte et développement durable, sur une thématique scientifique au cœur des enjeux de transition écologique et industrielle.

Objectifs de la thèse

Dans le cadre du projet LILLEGNIN, cette thèse vise à développer des approches expérimentales et numériques avancées pour l’étude du comportement mécanique de matériaux polymères biosourcés intégrant de la lignine fonctionnalisée.

L’objectif global est d’établir des relations quantitatives entre la formulation des matériaux, leur microstructure et leurs performances mécaniques afin d’accélérer le développement de nouveaux matériaux biosourcés compétitifs vis-à-vis des polymères conventionnels. Le travail de recherche s’articulera autour de trois axes complémentaires.

La première phase portera sur l’étude bibliographique approfondie des matériaux lignine-polymère et de leurs comportements couplés thermo-hygro-mécaniques. Cette étape inclura également une montée en compétences en caractérisation expérimentale, en mécanique des polymères et en modélisation par éléments finis.

La deuxième phase sera consacrée à la caractérisation expérimentale des matériaux développés dans le cadre du projet LILLEGNIN. Des essais mécaniques monotones et cycliques seront réalisés sous différentes sollicitations (traction, compression, et chargements multiaxiaux), en tenant compte de l’influence de la température, de l’humidité et du taux de lignine. Une attention particulière sera portée au potentiel d’utilisation de ces matériaux dans plusieurs applications, notamment les textiles biosourcés ainsi que les matériaux retardateurs de flamme. Les résultats obtenus contribueront directement au développement des démonstrateurs technologiques du projet LILLEGNIN.

La troisième phase concernera le développement de modèles constitutifs multi-échelles permettant de relier la microstructure des matériaux à leur comportement macroscopique. Ces modèles intégreront les effets thermo-hygro-mécaniques observés expérimentalement. Les approches développées seront implémentées numériquement afin d’évaluer virtuellement les performances des matériaux dans des conditions réalistes d’utilisation et d’optimiser les formulations biosourcées.

Ces outils numériques permettront également d’orienter les futures formulations développées dans le projet et de réduire les coûts expérimentaux associés à leur mise au point.
 

Pourquoi rejoindre ce projet ?

•    Participer à un projet structurant soutenu par France 2030 et l’Initiative d’Excellence de l’Université de Lille ;
•    Contribuer au développement de matériaux durables répondant aux défis de la transition écologique ; 
•    Travailler à l’interface entre expérimentation, modélisation et innovation ;
•    Développer une double expertise expérimentale et numérique particulièrement recherchée dans les secteurs académiques et industriels ;
•    Bénéficier d’opportunités de collaborations nationales et internationales.
•    Évoluer dans un environnement scientifique d’excellence, interdisciplinaire et collaboratif, réunissant des experts reconnus en mécanique, matériaux, chimie et procédés. 
 

La thèse sera réalisée au sein du Laboratoire LGCgE de l'Université de Lille, dans l’équipe « Modélisation et caractérisation multi-échelle des problèmes couplés ».

Le doctorant intégrera le consortium du projet CDP-LILLEGNIN, réunissant des chercheurs en mécanique, matériaux, polymères, chimie verte, textile et modélisation numérique. Il bénéficiera d’un environnement de recherche interdisciplinaire, d’un accès à des plateformes expérimentales et numériques de pointe, ainsi que d’un encadrement scientifique rapproché.

Les travaux seront menés en interaction étroite avec les partenaires du projet et donneront lieu à des publications dans des revues internationales ainsi qu’à des présentations lors de conférences nationales et internationales.

Titulaire d’un master ou d’un diplôme d’ingénieur en mécanique, génie mécanique, modélisation numérique des matériaux ou mécanique des matériaux.

Une bonne maîtrise de la mécanique des matériaux, de la mécanique des milieux continus, de la modélisation par éléments finis et de l’analyse expérimentale est requise. Des compétences solides en programmation scientifique (Python, Matlab, Abaqus, COMSOL ou équivalent) sont indispensables.

Des connaissances en relation structure-propriétés et en comportement non-linéaire des polymères seraient appréciées. Une première expérience en modélisation numérique avancée, en calcul scientifique ou en développement d’outils de simulation constituerait un atout supplémentaire.

Le poste s’adresse avant tout à une personne curieuse, autonome et créative, animée par un fort intérêt pour la recherche scientifique et désireuse de contribuer au développement des matériaux durables de demain.