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Theses Year : 2022

Formulation of a thermosetting biocomposite based on poly (furfuryl alcohol) and cellulose for 3D printing

Formulation d'un biocomposite thermodurcissable à base de l'alcool polyfurfurylique et de cellulose pour le procédé d'impression 3D

Khaoula Bouzidi
  • Function : Author
  • PersonId : 1226118
  • IdRef : 260420441

Abstract

In the last two decades, additive manufacturing has emerged as a revolutionary and influential technology. Historically, stereolithography is the first technique used in additive manufacturing giving later birth to many new techniques based on different approaches. Direct ink writing, is one such technique, used to print different materials like ceramics, concrete, and more recently fossil-based thermosetting resins. In the context of the increasing interest in sustainable development, in this thesis, a new bio-based printable ink was developed using the aforementioned AM approach. The developed ink consists of a blend of bio-based furanic resin and cellulosic fillers and eventually carbon nanotubes. The thermosetting resin provides dimensional stability, the cellulose particles enable the tuning of the rheological properties and the carbon nanotubes permit an increase in the electrical conductivity. First, the rheological requirements for a printable ink compatible with the direct ink writing technique were studied which were characterized by a shear-thinning behavior and a yield stress superior to 105 Pa. Later the ensuing crosslinked composites were extensively characterized highlighting high thermomechanical stability permitting to reach a material processing temperature of up to 200°C. The DIW process and the curing step were thoroughly studied and optimized in order to obtain a better printing quality and excellent interlayer cohesion. Lastly, an in-situ curing strategy was suggested to overcome some of the challenges encountered in the paste DIW. This strategy was implemented on a 3D printer designed as part of this thesis work and equipped with a thermoregulable printing chamber between 30 and 250°C.
Au cours des deux dernières décennies, la fabrication additive est devenue une technologie révolutionnaire. Historiquement, la stéréolithographie est la première technique utilisée en fabrication additive donnant plus tard naissance à de nombreuses nouvelles techniques basées sur différentes approches. L'écriture directe à l'encre est l'une de ces techniques. Elle est utilisée pour imprimer différents matériaux comme la céramique, les pâtes de ciment et, plus récemment, les résines thermodurcissables petro-sourcées. Dans un contexte où le développement durable devient un sujet clé, une nouvelle encre imprimable biosourcée a été développée en utilisant cette nouvelle approche de FA dans cette thèse. L'encre développée est constituée d'un mélange d’une résine furanique biosourcée avec des charges cellulosiques et éventuellement de nanotubes de carbone. La résine thermodurcissable assure la stabilité dimensionnelle, les particules de cellulose permettent la modification des propriétés rhéologiques, et les nanotubes de carbone permettent une augmentation de la conductivité électrique. Au préalable, les propriétés rhéologiques ont été optimisées pour aboutir une encre imprimable, compatible avec la technique d’écriture directe à l’encre, caractérisé par un comportement rheofluidifiant et un seuil d’écoulement élevé supérieure à 105 Pa. A posteriori, les composites réticulés résultant ont été largement caractérisés, mettant en évidence une stabilité thermomécanique élevée permettant d’atteindre une température de mise en œuvre du matériau pouvant atteindre les 200°C. Le procédé DIW et l'étape de réticulation ont été étudiés et optimisés pour une meilleure qualité d'impression avec une excellente cohésion intercouche. Enfin, une stratégie de réticulation in-situ en cours d’impression a été proposée pour surmonter certains des défis rencontrés en cours de l’impression de la pâte. Cette stratégie a été implémentée sur une imprimante 3D conçue dans le cadre de ce travail de thèse et équipée d’une chambre d’impression thermorégulable entre 30 et 250°C.
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Origin Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03983527 , version 1 (11-02-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03983527 , version 1

Cite

Khaoula Bouzidi. Formulation of a thermosetting biocomposite based on poly (furfuryl alcohol) and cellulose for 3D printing. Chemical engineering. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. English. ⟨NNT : 2022GRALI017⟩. ⟨tel-03983527⟩

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