Association de lignine et de protéines fonctionnalisées en adhésifs biosourcés pour panneaux de particules

Introduction

Face aux défis environnementaux et climatiques actuels, la transition vers une bioéconomie durable constitue un enjeu majeur pour réduire la dépendance aux ressources fossiles et favoriser le développement de matériaux renouvelables à faible impact environnemental. Dans ce contexte, l'industrie des panneaux cherche à évoluer vers des procédés de fabrication plus durables, conciliant performances techniques, compétitivité économique et respect des exigences sanitaires et environnementales.

Les adhésifs jouent un rôle central dans la fabrication des panneaux de particules, panneaux de fibres et contreplaqués. Aujourd'hui, ces matériaux reposent majoritairement sur des résines thermodurcissables issues de la pétrochimie comme les résines urée-formaldéhyde (UF), mélamine-urée-formaldéhyde (MUF) et phénol-formaldéhyde (PF). Un problème majeur posé par ce type de colles est le relargage de composés organiques volatiles (COV) dans l’air à l’intérieur des habitations [1]. Le COV le plus surveillé est le formaldéhyde, une substance classée cancérogène pour l'homme qui est directement employé dans les colles UF, MUF et PF conventionnelles [2, 3]. Malgré les progrès réalisés pour réduire les émissions de formaldéhyde des panneaux, les exigences réglementaires (REACH au niveau européen) et les attentes sociétales encouragent le développement d'alternatives plus sûres et plus respectueuses de l'environnement. Le 6 août 2026, la réglementation REACH va diviser par deux le seuil d’émission toléré ce qui le ramène à 0,062 mg/m³ de formaldéhyde pour les articles en bois et les meubles.

Adhésifs à base lignine

Parmi les ressources biosourcées disponibles, la lignine apparaît comme un candidat particulièrement prometteur et est déjà utilisée dans des produits adhésifs commerciaux [4]. Coproduit majeur des industries papetière et de bioraffinage, la lignine est le troisième biopolymère le plus abondant sur terre après la cellulose et les hémicelluloses. Sa richesse en fonctions phénoliques et son caractère hydrophobe en font un substitut partiel ou total potentiel aux fractions phénoliques des colles PF. La lignine est extraite de biomasse lignocellulosique à l’échelle industrielle par les procédés de cuisson papetière sous forme de lignine dites « techniques » : lignosulfonates, lignine kraft et lignine organosolv [5]. La lignine technique dominante est la lignosulfonate culminant à une production de 1,8 Mt/an (plus de 75% de la production mondiale de lignine), néanmoins plafonnée car aucune nouvelle usine au bisulfite n’est en cours de construction. Le procédé kraft, dominant car produisant des fibres papetières de plus grande résistance, laisse une grande marge de manœuvre sur la valorisation de lignine en matériaux et chimie. En effet, même si la quasi-totalité de la lignine kraft produite est brûlée en chaudière de régénération pour apporter au procédé une autonomie énergétique, un surplus de production de pâte kraft dans une usine pourrait être associé à un investissement dans des équipements d’extraction de lignine de la liqueur noire [6], tels que les procédés LignoBoost [7] et LignoForce^TM [8]. Ainsi, la lignine kraft représente probablement la lignine de demain, même si des procédés alternatifs mettent en avant des lignines de plus haute pureté et sans soufre [9-11].

Dans la plupart des cas, la lignine a été vu comme un moyen de remplacer directement les composés phénoliques dans les colles PF et PRF (phénol-résorcinol-formaldéhyde). Les propriétés mécaniques des panneaux ainsi produits peuvent atteindre celles obtenues par les colles pétrosourcées conventionnelles, mais la lignine présente l’inconvénient de longs temps de durcissement et/ou de haute températures [4]. La taille des particules de lignine est un paramètre critique ayant conduit récemment à développer l’utilisation de nanoparticules de lignine [12, 13], de plus petites tailles décuplant les propriétés adhésives. Les propriétés de la lignine peuvent être améliorées par des modifications chimiques comme l’estérification [14-16], réaction avec des amines [17], ou encore la déméthylation suivie d’une oxydation [18]. Des additifs tels que le glyoxal, des diamines, l’acide citrique, ou des sels de cations multivalents sont également souvent utilisés.

Autres adhésifs biosourcés

D’autres adhésifs biosourcés sont particulièrement intéressants : les colles à bases de protéines (caséine, protéines de soja…) ou de tanins (quebracho, acacia noir…) sont déjà utilisés dans l’industrie et ont des propriétés différentes. Des synergies peuvent exister entre lignine, tanins, et protéines dans des formulations dites hybrides permettant de réduire les inconvénients de certaines colles, comme la mauvaise résistance à l’eau des colles protéiniques [19-22].

En conclusion, l’introduction de lignine dans des adhésifs de différentes natures peut réduire leur toxicité et l’impact environnemental mais présentent trop souvent des limites techniques (résistance à l’eau, temps de durcissement, adhésion limitée…) qui nécessitent des améliorations par voie chimique souvent trop coûteuse [23]. Un des enjeux est donc d’apporter une modification chimique facile à mettre à place et relativement bon marché, permettant de répondre aux standards de qualité imposés par l’industrie des panneaux.

Objectifs de la thèse :

• Formuler des adhésifs 100% lignine puis hybrides lignine technique/protéines pour panneaux de particules
• Améliorer les propriétés adhésives de ces formulations par des modifications chimiques de la fraction lignine, comme l’oxydation par l’ozone
• Caractériser les différentes formulations : FTIR, DSC, ATG, essais mécaniques, essais de gonflement, absorption d'eau et résistance au feu…
• Evaluer leurs propriétés adhésives en produisant des panneaux et en mesurant leur performance mécanique

Les enjeux de l'unité ECLORE sont de caractériser les propriétés des biomasses & co-produits d’origine agricole et marine, organique urbaine et péri-urbaine et analyser et comprendre les transformations en produits biosourcés afin de favoriser l'économie circulaire. 

Ils se déclinent dans la conception de systèmes territorialisés en économie circulaire (flux territorialisés) et de  co-valorisation afin de transiter vers une utilisation efficace et complémentaire des matières renouvelables au travers de la démarche de l’évaluation systémique, tout en associant les approches biotechniques et environnementales.

Profil attendu : Etudiant(e) ayant validé un diplôme de master ou équivalent, motivé(e) par la recherche et par le travail en mode projet.

Profil avec appétence chimie des matériaux ; matériaux biosourcés ; Intérêt pour l'environnement et les sciences des matériaux. Curiosité scientifique.