Cellulose nanocrystals (CNCs) have emerged as highly effective solid stabilizers for Pickering emulsions and latexes, offering a sustainable alternative to conventional surfactants. Their amphiphilic nature allows partial wettability at the oil-water interface, creating robust colloidal stabilization in fully waterborne systems. Because CNCs originate from renewable lignocellulosic biomass and can be surface-modified through abundant hydroxyl groups, they provide a versatile platform for designing green, bio-based polymer composites with tailored interfacial and mechanical properties.

This thesis develops and investigates CNC-stabilized waterborne non-isocyanate polyurethane (WNIPU) and polyacrylate latexes with the goal of achieving high colloidal stability and excellent material performance. The work focuses on optimizing latex synthesis, engineering CNC surface functionalities, elucidating CNCs-polymer matrix interactions, and assessing the structural and mechanical properties of the resulting latexes and composites.

In the first part, pristine CNCs were utilized to prepare WNIPUs through CNC-stabilized suspension polymerization, eliminating hazardous isocyanates, volatile organic compounds (VOCs), and external surfactants. In Chapter 2, CNC-mediated Pickering stabilization of WNIPU latexes was successfully achieved for the first time, with systematic optimization of CNCs concentration, monomer composition and reaction parameters. The obtained WNIPUs also exhibited florescence, indicating potential for sensing or anti-counterfeiting applications. Chapter 3 demonstrated the dual role of CNCs as both stabilizer and reinforcing agent for the WNIPU latex. The incorporation of 17 wt% CNCs increased probe tack adhesion strength by 680% and lap-shear strength by 340%, enabled by their uniform dispersion within the WNIPU matrix.

The second part of the thesis focused on functionalized CNCs as advanced stabilizers for waterborne latexes. In Chapter 4, CNCs were covalently modified with octylamine (oCNCs) to increase surface hydrophobicity. The oCNCs-stabilized WNIPU showed improved stabilization efficiency and smaller sizes in monomer emulsion droplets. The resulting WNIPU/oCNC composites showed up to 34% and 57% increases in probe tack adhesion strength and work of adhesion, respectively, compared to pristine CNC-stabilized WINPU. Chapter 5 introduced a non-covalent surface modification using charge coupling method, which rendered CNCs sufficiently hydrophobic to stabilize polyacrylate latexes with solid contents up to 20 wt%. The resulting polyacrylate/CNC composites demonstrated coating performance comparable to surfactant-stabilized references.

Overall, this thesis establishes CNC-stabilized WNIPU latexes as a new class of Pickering polymer systems and extends the concept to polyacrylate matrices. It elucidates how CNC surface chemistry governs dispersion stability, interfacial stabilization, and composite performance. These findings provide a basis for designing scalable, surfactant-free, and sustainable waterborne polymer systems, advancing the use of functionalized nanocellulose in environmentally friendly coatings and adhesives.

Cellulosa-nanokristaller (CNC) har framträtt som mycket effektiva fasta stabilisatorer för Pickering-emulsioner och latexer, och erbjuder ett hållbart alternativ till konventionella tensider. Deras amfifila natur möjliggör delvis vätbarhet vid olja-vatten-gränsytan, vilket skapar en robust kolloidal stabilisering i helt vattenbaserade system. Eftersom CNC härstammar från förnybar lignocellulosisk biomassa och kan ytmodifieras genom de rikligt förekommande hydroxylgrupperna, utgör de en mångsidig plattform för att utforma gröna, biobaserade polymerkompositer med skräddarsydda interfas- och mekaniska egenskaper.

Denna avhandling utvecklar och undersöker CNC-stabiliserade vattenburna icke-isocyanatpolyuretaner (WNIPU) och polyakrylatlatexer med målet att uppnå hög kolloidal stabilitet och utmärkta materialegenskaper. Arbetet fokuserar på optimering av latexsammansättning, design av CNC-ytfunktionaliteter, förståelse av interaktionerna mellan CNC och polymermatrisen samt utvärdering av de strukturella och mekaniska egenskaperna hos de resulterande latexerna och kompositerna.

I den första delen användes orena CNC för att framställa WNIPU genom CNC-stabiliserad suspensionspolymerisation, vilket eliminerade farliga isocyanater, flyktiga organiska föreningar (VOC) och externa tensider. I kapitel 2 uppnåddes för första gången CNC-medierad Pickering-stabilisering av WNIPU-latexer, med systematisk optimering av CNC-koncentration, monomersammansättning och reaktionsparametrar. De erhållna WNIPU-materialen uppvisade även fluorescens, vilket indikerar potential för användning inom sensorteknik eller förfalskningsskydd. Kapitel 3 demonstrerade CNC:s dubbla roll som både stabilisator och förstärkande komponent i WNIPU-latexen. Inkorporering av 17 viktprocent CNC ökade vidhäftningsstyrkan (probe tack) med 680 % och skjuvhållfastheten (lap shear) med 340 %, tack vare deras jämna dispersion i WNIPU-matrisen.

Den andra delen av avhandlingen fokuserade på funktionaliserade CNC som avancerade stabilisatorer för vattenburna latexer. I Kapitel 4 modifierades CNC kovalent med oktaylamin (oCNC) för att öka ythydrofobiciteten. De oCNC-stabiliserade WNIPU-latexerna visade förbättrad stabiliseringseffektivitet och mindre monomeremulsionsdroppar. De resulterande WNIPU/oCNC-kompositerna uppvisade upp till 34 % och 57 % ökning i vidhäftningsstyrka och vidhäftningsarbete, respektive, jämfört med latexer stabiliserade med orena CNC. Kapitel 5 introducerade en icke-kovalent ytmodifiering genom en laddningskopplingsmetod, vilket gjorde CNC tillräckligt hydrofoba för att stabilisera polyakrylatlatexer med fast innehåll upp till 20 viktprocent. De resulterande polyakrylat/CNC-kompositerna uppvisade beläggningsegenskaper jämförbara med referenser stabiliserade med tensider.

Sammanfattningsvis etablerar denna avhandling CNC-stabiliserade WNIPU-latexer som en ny klass av Pickering-polymersystem och utvidgar konceptet till polyakrylatmatriser. Den belyser hur CNC:s yt-kemi styr dispersionsstabilitet, interfasstabilisering och kompositprestanda. Dessa resultat utgör en grund för design av skalbara, tensidfria och hållbara vattenburna polymersystem, och främjar användningen av funktionaliserad nanocellulosa i miljövänliga beläggningar och lim.

Les nanocristaux de cellulose (CNCs) se sont imposés comme des stabilisants solides très efficaces pour les émulsions et latex de Pickering, offrant une alternative durable aux tensioactifs conventionnels. Leur nature amphiphile leur confère une mouillabilité partielle à l’interface huile-eau, assurant une stabilisation colloïdale robuste dans des systèmes entièrement aqueux. Issus de biomasse lignocellulosique renouvelable et pouvant être modifiés en surface grâce à leurs nombreux groupes hydroxyle, les CNCs constituent une plateforme polyvalente pour la conception de composites polymères verts et biosourcés, aux propriétés interfaciales et mécaniques ajustables.

Cette thèse développe et étudie des latex de polyuréthane sans isocyanate hydrodispersables (WNIPU) et de polyacrylate, stabilisés par des nanocristaux de cellulose (CNCs), dans le but d’obtenir une grande stabilité colloïdale et des matériaux présentant d’excellentes performances. Le travail porte sur l’optimisation de la synthèse des latex, l’ingénierie de fonctionnalisation de surface des CNCs, l’analyse des interactions entre les CNCs et la matrice polymère, ainsi que l’évaluation des relations structure-propriétés des latex et composites obtenus.

Dans la première partie, des CNCs vierges ont été utilisés pour préparer des WNIPU par polymérisation en suspension stabilisée par CNCs, éliminant ainsi les isocyanates dangereux, les composés organiques volatils (COV) et les tensioactifs externes. Dans le second chapitre, la stabilisation de latex WNIPU de type Pickering en présence de CNCs a été réalisée avec succès pour la première fois, grâce à une optimisation systématique de la concentration en CNCs, de la structure du polymère et des paramètres de réaction. Les WNIPU obtenus ont également montré une fluorescence, indiquant un potentiel pour des applications de détection ou de lutte contre la contrefaçon. Le chapitre 3 met en évidence le double rôle des CNCs, agissant à la fois comme agents stabilisants et agents de renforcement du latex WNIPU. L’incorporation de 17 % en masse de CNCs a entraîné une augmentation de 680 % de la force d’adhésion au tack-test et de 340 % de la résistance au cisaillement par recouvrement, grâce à leur dispersion homogène au sein de la matrice WNIPU.

La deuxième partie de cette thèse est consacrée aux CNCs fonctionnalisés en tant que stabilisants avancés pour les latex hydrodispersables. Dans le chapitre 4, les CNCs ont été modifiés de manière covalente avec l’octylamine (oCNCs) afin d’accroître leur hydrophobie de surface. Les WNIPU stabilisés par les oCNCs présentent une efficacité de stabilisation améliorée et des gouttelettes d’émulsion de plus petite taille. Les composites WNIPU/oCNC obtenus montrent une augmentation de 34 % de la force d’adhésion au tack-test et de 57 % du travail d’adhésion, comparativement aux WNIPU stabilisés par des CNCs non modifiés. Le chapitre 5 introduit une modification de surface non covalente reposant sur une méthode de couplage de charges, conférant aux CNCs une hydrophobie suffisante pour stabiliser des latex de polyacrylate et présentant une teneur en matière sèche allant jusqu’à 20 % en masse. Les composites polyacrylate/CNC ainsi obtenus ont démontré des performances de revêtement comparables à celles des références stabilisées par des tensioactifs classiques.

En conclusion, cette thèse propose des latex WNIPU stabilisés par des CNCs comme une nouvelle classe de systèmes polymères de type Pickering, et étend ce concept aux matrices de polyacrylate. Elle met en évidence la manière dont la chimie de surface des CNCs gouverne la stabilité des dispersions, la stabilisation interfaciale et les performances des composites. Ces résultats fournissent une base solide pour la conception de systèmes polymères hydrodispersables, durables et sans tensioactifs, contribuant ainsi à l’avancement de l’utilisation des nanocelluloses fonctionnalisées pour des revêtements et adhésifs respectueux de l’environnement.