Development of Pet/Kaolin Nanocomposites with Improved Mechanical Properties

Le polyéthylène téréphtalate (PET) est un polymère essentiel utilisé dans plusieurs industries dont le textile et l'emballage. En ce qui concerne l'impact économique et environnemental des matériaux polymères d'emballage, il y a une grande demande pour le développement des systèmes d'emballage de poids réduits. D'un autre côté, les faibles propriétés mécaniques et barrières sont les principaux inconvénients de ces systèmes d'emballage. En dépit des nombreuses études menées sur les performances barrières et mécaniques des composites PET-argile, peu d'améliorations ont été apportées. Dans cette étude, l'influence de l'ajout de kaolin comme un autre type de matériau argileux sur la performance du PET sera étudiée. La première partie de ce travail porte sur le traitement chimique des particules de kaolin hydraté. Compte tenu de la structure chimique spécifique du kaolin, les agents de modification conventionnels tels que les alkyles d'aluminium qui sont largement employés, tels que dans des argiles de type smectite, ne sont pas applicables dans le cas du kaolin. Comme le nanocomposite final PET-kaolin est censé être en contact direct avec l'aliment, la toxicité des agents de modification est un autre défi à prendre en considération. L'agent de modification doit également être thermiquement stable à la température de traitement du PET. Éventuellement, l'acétate de potassium (KAc) et le diméthylsulfoxyde (DMSO) ont été choisis pour le traitement chimique des particules et leur influence sur la structure et les propriétés physicochimiques des particules a été étudiée. Dans la deuxième partie, un procédé de déplacement a été appliqué. Le précurseur produit dans la première partie a été mélangé avec du poly(éthylène oxyde) (PEO) dans un mélangeur interne pour donner un mélange-maître PEO-kaolin hautement concentré. Ce dernier a été dilué avec du PET dans une extrudeuse bi-vis pour produire les nanocomposites finaux. Les résultats de la diffraction des rayons-X ont montré que la structure en couches du kaolin est altérée de façon significative en raison du traitement chimique. Lors de l'intercalation des molécules KAc dans la structure du kaolin, l'intensité du pic caractéristique du kaolin est remarquablement réduite et de nouveaux pics apparaissent à des angles inférieurs; ces pics finissent par disparaître lorsque le kaolin est mélangé avec le PET. Les images MÉB (microscopie électronique à balayage) confirment que le traitement au KAc et l'ajout de PEO ont un effet significatif sur la dispersion des particules. À partir des images MÉT (microscopie électronique en transmission), la taille des particules dans le nanocomposite est estimée de 100 à 200 nm de longueur, tandis que l'épaisseur varie de manière générale entre 10 et 50 nm. Par rapport aux particules telle que reçues, la dispersion du kaolin traité chimiquement dans la matrice de PET est remarquablement améliorée. Toutefois, les études rhéologiques ont montré que la dégradation du PET au cours de l'étape de mélange à l'état fondu entraîne une diminution de la viscosité à l'état fondu et une réduction considérable du poids moléculaire. Dans la troisième partie, la possibilité de préparer des nanoparticules de kaolin calciné par broyage humide et de les utiliser comme une nano-charge dans la matrice PET a été étudiée. Les images MÉB et MÉT ont montré que les particules broyées ayant une taille entre 50 et 250 nanomètres sont distribuées uniformément dans la matrice de PET. Il a été montré que le module et les propriétés barrière du PET sont améliorés après incorporation des particules broyées, cependant, l'allongement à la rupture est significativement inférieur à celui du PET seul. La présence des nanoparticules altère légèrement les propriétés optiques des échantillons. La dernière partie a été consacrée à l'étude de l'effet des processus secondaires (tels que l'étirage à chaud) sur les propriétés finales des matériaux composites PET/kaolin-calciné. L'incorporation des particules de kaolin calciné améliore les propriétés finales de la matrice de PET et cette amélioration s'est révélée être plus prononcée après étirement uniaxial au-dessus de la température de transition vitreuse. Cependant, l'addition de particules a été associée à une certaine opacité dans les composites et le processus d'étirement favorise cet effet qui a été attribué à la cristallinité et au décollement des particules de la matrice.