Modification of microfibrillated cellulose foams by atmospheric-pressure plasmas

Abstract

Le traitement de différents polymères issus de sources renouvelables est, depuis relativement récemment, un domaine de très fort intérêt dans les communautés scientifiques. Ce travail aborde le traitement de mousses de microfibrille de cellulose, issues de biomasses forestières, dans des décharges à barrière diélectrique dans l’hélium à la pression atmosphérique. Lorsque la mousse occupe l’entièreté de l’espace inter-électrodes, nous avons montré que la décharge s’amorce et se propage à travers la mousse. L’effet de dégazer la mousse avant le traitement par plasma s’avère aussi bénéfique à la production de décharge de type « homogène ». En effet, en situation dégazée, la décharge à 60 kHz révèle une caractéristique « homogène » tandis qu’à 10 kHz elle devient filamentaire. Toutefois, nettement moins de dommage sont observés sur la mousse sujette à une décharge à 10 kHz par rapport à celle à 60 kHz. En situations non dégazées, le relâchement d’espèces issues de l’air ambiant lors de l’enclenchement de la décharge augmente considérablement la puissance injectée et dissipée dans le plasma, générant plus de dommage qu’en conditions dégazées. Ces connaissances ont ensuite été appliquées à la modification des mousses à l’aide d’un précurseur d’hexaméthyldisiloxane pour ajuster leurs mouillabilités à l’eau et à l’huile. Lorsque la mousse occupait tout l’espace inter-électrodes, le régime de décharge filamentaire produit des dépôts très inhomogènes, bien souvent localisés au voisinage des régions endommagées. Au contraire, lorsque la mousse n’occupe qu’une partie du volume inter-électrodes, une décharge homogène a été observée, induisant une défibrillation des fibres cellulosiques. Ces conditions mènent néanmoins à des surfaces hydrophobes sur les surfaces supérieure et inférieure des mousses, tout en maintenant leur caractéristique oléophile. Ces travaux semblent donc prometteurs pour la séparation efficace d’huile des eaux usées à partir de matériaux verts, biodégradables, et renouvelables.

The treatment of different polymers issued from renewable sources has recently become of high interest in today’s scientific community. This work focused on the treatment of microfibrillated cellulosic foams, issued from wood biomass, in an atmospheric pressure dielectric barrier discharge in helium. When foams occupied all of gas gap volume, we demonstrated that the discharge ignites and propagates through the foams. The act of outgassing before plasma treatment has also been shown to be highly beneficial to the production of homogeneous glow-like discharges. Indeed, it was found that, in outgassed conditions, discharges occurring at a frequency of 60 kHz were glow-like, while those at 10 kHz were filamentary. However, significantly less damage was observed on the foams subjected to a 10 kHz discharge as opposed to those subjected to a 60 kHz discharge. In non-outgassed situations, we have also shown that the release of oxidising species originating from ambient air upon plasma ignition considerably increased injected and dissipated power in the plasma, in turn producing more damage than in outgassed conditions. This knowledge was then applied to the modification of these foams using a hexamethyldisiloxane precursor for plasma deposition to adjust their wettability to water and to oil. When foams occupied all of gas gap volume, the discharge regime was filamentary, and produced inhomogeneous coating, often very localised around damaged regions. When foams took up only a portion of gas gap volume, a homogeneous glow-like discharge was observed, inducing defibrillation of the cellulosic fibers. These conditions produced hydrophobicity on both the top and bottom surfaces of the foams, all while maintaining the foam’s characteristic oleophilicity. This supports the idea of selective adsorption of oily wastewater using a green, biodegradable, and renewable cellulosic product.