Step–wise multi–scale deconstruction of banana pseudo–stem ( Musa acuminata ) biomass and morpho–mechanical characterization of extracted long fibres for sustainable applications
Résumé
Banana Pseudo stem (BPS) is an annual renewable agricultural by product with a potential for valorization in the production of paper, textile fibre or new bio–based materials. A gradual deconstruction process was implemented to determine BPS chemical composition and isolate sub–components that may be valorized in the formulation of bio–based polymer composites. At each step, the residues were analyzed by FTIR, X–ray diffraction and TGA–DTG. The chemical composition of the starting material (% of dry weight) was evaluated as:
13.4% total extractives, 6% pectins, 14.7% lignins, 28% hemicelluloses and 38% cellulose. The deconstruction process for BPS was efficient but led to mercerized cellulose (cellulose II) as a final residue, as assessed by the intense X–ray scattering peaks centered at 20.5° and 21.5°. Cellulose II formation was induced by the high concentration of the alkaline KOH solution used to dissolve hemicelluloses in holocellulose. The step–wise removal of non cellulosic sub–components led to a more thermally stable residue. Long fibres were also obtained from BPS at a yield of 60%. These fibres display cellulose I structure and a thermal stability similar to the extracted cellulose. SEM analyses of long fibres showed transversal and lateral defects, the presence of surface hairiness and an almost cylindrical morphology. Uniaxial tensile tests were carried out at room temperature on 150 specimens randomly chosen among the less hairy fibres, with diameters ranging from 40 to 140μm.
Mechanical investigations (Young modulus: 6.3–26 GPa; nominal stress at break: 140–768 Pa; nominal strain at break:∼3%) reveal a significant disparity strongly influenced by fibre diameter, except for the nominal strain at break which remains fairly constant around 3%. These results are comparable to the upper range of the values reported for fibres extracted from BPS through alternative chemical routes or for fibres obtained from other annual plants such as jute and hemp
La pseudo-tige de banane (BPS) est un produit agricole annuel renouvelable avec un potentiel de valorisation dans la production de papier, de fibre textile ou de nouveaux matériaux biosourcés. Un processus de déconstruction progressive a été mis en œuvre pour déterminer la composition chimique du BPS et isoler les sous – composants susceptibles d'être valorisés dans la formulation de composites polymères biosourcés. À chaque étape, les résidus ont été analysés par FTIR, diffraction des rayons X et TGA – DTG. La composition chimique de la matière de départ (% du poids sec) a été évaluée comme suit:
13,4% d'extraits, 6% de pectines, 14,7% de lignines, 28% d'hémicelluloses et 38% de cellulose. Le processus de déconstruction du BPS a été efficace, mais a conduit à la cellulose mercerisée (cellulose II) en tant que résidu final, comme l'indiquent les pics de diffusion des rayons X intenses centrés à 20,5 ° et à 21,5 °. La formation de cellulose II a été induite par la concentration élevée de la solution alcaline de KOH utilisée pour dissoudre les hémicelluloses dans l'holocellulose. L'élimination progressive des sous-composants non cellulosiques a permis d'obtenir un résidu plus stable thermiquement. Des fibres longues ont également été obtenues à partir de BPS avec un rendement de 60%. Ces fibres présentent une structure en cellulose I et une stabilité thermique similaire à celle de la cellulose extraite. Les analyses au MEB de fibres longues ont montré des défauts transversaux et latéraux, la présence de pilosité en surface et une morphologie presque cylindrique. Des tests de traction uniaxiale ont été effectués à température ambiante sur 150 échantillons choisis au hasard parmi les fibres les moins poilues, avec des diamètres allant de 40 à 140 µm.
Les investigations mécaniques (module d'Young: 6,3–26 GPa; contrainte nominale à la rupture: 140–768 Pa; contrainte nominale à la rupture: 3%) révèlent une disparité significative fortement influencée par le diamètre de la fibre, à l'exception de la contrainte nominale à la rupture qui reste assez stable constante autour de 3%. Ces résultats sont comparables à la fourchette supérieure des valeurs rapportées pour les fibres extraites du BPS par d'autres voies chimiques ou pour les fibres obtenues d'autres plantes annuelles telles que le jute et le chanvre.