Détermination expérimentale du degré de polymérisation de la cellulose
Par Aziz Lallam – Abdelaziz.lallam@uha.fr – ENSISA, 11 rue Alfred Werner 68093 Mulhouse
Le degré moyen de polymérisation (DP) de la cellulose peut être évalué par différentes méthodes, dont la complexité varie selon les principes mis en œuvre. Les techniques les plus couramment utilisées sont présentées dans le tableau I. Parmi elles, la méthode viscosimétrique a été retenue pour son accessibilité expérimentale et sa pertinence dans le secteur textile.
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Méthode |
Type de DP obtenu |
Précision |
Usage typique |
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Viscosimétrie |
DP moyen (DPv) |
Moyenne à bonne |
Laboratoire, industrie |
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Diffusion de la lumière |
DP absolu |
Très bonne |
Recherche avancée |
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SEC/GPC |
Distribution de DP |
Très bonne |
Polymères modifiés |
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Spectroscopie |
DP estimé |
Moyenne |
Cellulose fonctionnalisée |
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Méthodes indirectes |
DP apparent |
Faible |
Contrôle qualité |
Tableau I. Méthodes de détermination du Dp
Cette approche repose sur la norme française NF G06-037 (décembre 1981) et consiste à dissoudre un échantillon de cellulose — qu’il s’agisse de coton, lin, ramie, etc. — dans une solution de cupriéthylènediamine. On étudie ensuite les variations de la viscosité relative en fonction de la concentration de la solution. La viscosité intrinsèque obtenue par extrapolation de la droite représentant les variations de la viscosité relative en fonction de la concentration, voir figure1. Le point d’intersection de la droite extrapolée avec l’axe des ordonnées (axe des viscosités relatives) fournit la valeur de la viscosité intrinsèque qui la relie à la masse molaire du polymère. La masse molaire viscosimétrique, peut être calculée par l’équation de Mark-Houwink dont l’expression est la suivante :
[η] = K.M^a (1)
[η] est la viscosité intrinsèque (dL·g⁻¹), M représente la masse molaire moyenne (g·mol⁻¹), K et a sont des constantes empiriques qui dépendent du polymère, des conditions opératoires et du solvant utilisé. Dans la cupriéthylènediamine et 25°C on a :
K ≃ 1,1×10⁻² dL·g⁻¹
a ≃ 0,85
K et a sont les constantes de Mark-Houwink à partir de laquelle on déduit la masse molaire moyenne de l’échantillon analysé. Une fois la masse molaire connue, on peut calculer le Dp à partir de la relation :
Dp = Mv/Mo (2)
Mv désigne la masse molaire moyenne déterminée par viscosimétrie, tandis que Mo correspond à la masse molaire de l’unité monomère de la cellulose, issue du glucose après élimination d’une molécule d’eau lors de la polymérisation. Cette unité, appelée résidu anhydroglucose, possède une masse molaire de 162 g/mol. Pour la cellulose native, le degré moyen de polymérisation (Dp) est généralement proche de 200, ce qui équivaut à une masse molaire moyenne d’environ 32 400 g/mol.
Protocole expérimente de détermination du Dp
La détermination de la masse molaire de la cellulose et le calcul de son degré de polymérisation suit un protocole précis dont les démarches sont les suivantes :
1. Solvant et substances à analyser
a) Solution de cupriéthylènediamine (CED) concentrée
b) Solution de CED diluée à 50 % en volume
c) Cellulose préalablement desséchée à 105 °C (pour détermination de la teneur en eau)
2. Appareillage
a) Viscosimètre capillaire de type Ubbelohde ou équivalent
b) Enceinte thermo-régulée à 25 ± 0,1 °C
c) Chronomètre (± 0,1 s), balance analytique (± 0,1 mg), dessiccateur
d) Matériel de dissolution (agitation, chauffage) pour homogénéiser la solution de cellulose
3. Mode opératoire
a) Pesée précise de la cellulose préalablement séchée à poids constant
b) Dissolution complète dans le CED selon la méthode de l’annexe A.
c) Mesure des temps d’écoulement du solvant pur, du solvant dilué et de la solution de cellulose.
d) Calcul des viscosités relative et intrinsèque, puis détermination de [η], la masse molaire et on en déduit le Dp.
Le texte intégral et les spécifications détaillées de la norme NF G06-037 – 1981 – ISO 5351 : 2010(F) est disponible à l’achat auprès de l’AFNOR.
Données utiles
Expressions des différentes viscosités
Viscosité relative η_rel = t/t₀
Viscosité spécifique η_sp = (t-t₀)/t₀
Viscosité intrinsèque :
Viscosité réduite η_red = (t-t₀)/(t₀.c)
Viscosité inhérente η_inht = ln(η_rel)/c
t et t₀ sont respectivement les temps de vidange du réservoir du viscosimètre du solvant pur et celui de la solution.
