Préparation de films à base de chitosane par voie fondue

Depuis plusieurs années, le besoin d'utiliser des polymères d'origine naturelle dans l'industrie des plastiques se fait de plus en plus pressant. Le chitosane, qui est un polysaccharide naturel, a en plus des propriétés antibactériennes qui peuvent être intéressantes dans de nombreux domaines comme l'industrie de l'emballage alimentaire. L'inconvénient dans l'utilisation du chitosane est qu'il ne présente pas de point de fusion avant sa dégradation, il n'est donc pas adapté aux méthodes traditionnelles de transformation des polymères. L'objectif de ce travail a été de développer une nouvelle technique pour préparer des films antibactériens à base de chitosane par voie fondue. La plastification du chitosane a été choisie en assumant que cette plastification, qui est déjà réalisée en solution, est possible à l'état fondu et qu'elle permettra d'obtenir une bonne répartition du chitosane à la surface d'un film polymérique. La plastification du chitosane s'effectue à l'aide d'un traitement thermomécanique et en présence d'un solvant et d'un plastifiant. Trois plastifiants ont été sélectionnés dans la famille des polyols : le glycérol, le xylitol et le sorbitol par ordre croissant de poids moléculaire. Une solution d'acide acétique à 3 % en volume a été choisie comme solvant. Plusieurs rapports chitosane/polyol ont été utilisés dans la formulation du chitosane plastifié. Le chitosane a été plastifié dans un mélangeur interne à 80 °C, à une vitesse de 100 rpm pendant 15 min. Pour la première fois, la morphologie du chitosane plastifié a été observée au MEB. Elle consiste en une phase cristalline, composée de feuillets successifs, incorporée dans une phase amorphe. Des réactions entre l'acide acétique et le chitosane et entre les polyols et le chitosane ont été observées grâce à la FTIR. Il a été montré que plus le poids moléculaire du polyol était bas, moins la cristallinité du chitosane plastifié était élevée. Le chitosane plastifié avec le glycérol a démontré la phase amorphe la plus importante, ses différentes propriétés mesurées étant alors les plus faibles. En admettant que la mise en oeuvre du chitosane plastifié avec le glycérol serait facilitée grâce à l'importance de sa phase amorphe, le glycérol a été préféré aux deux autres polyols dans le reste de l'étude. La quantité de polyol a aussi son impact sur les propriétés, plus celle-ci augmente plus la phase amorphe est importante donc plus les propriétés sont faibles mais sa mise en oeuvre aisée. Pour comprendre l'effet de chaque composant, différents pourcentages volumiques d'acide acétique en solution, plusieurs ratios chitosane/solution d'acide acétique et plusieurs ratios chitosane/glycérol ont été utilisés pour plastifier le chitosane. Le chitosane plastifié a été mélangé vii avec un polyéthylène métallocène (mPE) dans le mélangeur interne. La morphologie des ces mélanges a été observée au MEB et corrélée avec leurs propriétés rhéologiques grâce au modèle de Palierne. La présence de l'acide acétique engendre une déstructuration du chitosane par une détérioration des liaisons hydrogènes entre les plans du chitosane. Sous cette action, les plans se sont séparés et un gonflement du chitosane dans la matrice a été observé. La partie aqueuse permet le mouillage de la surface du chitosane. Le glycérol s'est glissé entre les plans écartés du chitosane, le gonflement s'est poursuivi jusqu'à la rupture de la structure et la réduction de la taille des domaines de chitosane. Lorsque la quantité de glycérol dans la formulation est augmentée, la dispersion du chitosane dans la matrice de polyéthylène est améliorée. Les mélanges chitosane plastifié/mPE ont montré de bonnes propriétés antibactériennes avec une réduction de 2 log (Colony Forming Unit/mL) de la population totale de bactéries Escherichia coli par rapport au mPE pur. Les propriétés mécaniques ont été améliorées par la compatibilisation avec l'éthylène-acétate de vinyle (EVA) qui s'est positionné à l'interface entre le mPE et le chitosane. Afin d'améliorer la plastification du chitosane, un changement dans sa mise en forme a été réalisé. La plastification du chitosane et son mélange avec un polymère fondu a été réalisée en une seule passe dans une extrudeuse bivis. Le chitosane a été plastifié en amont de la bivis, le mPE étant quant à lui fondu dans une extrudeuse monovis connectée au milieu de la bivis. Le chitosane plastifié et le mPE fondu ont alors été mélangés en aval de l'extrudeuse bivis. Des films ont été par la suite extrudés à 2, 5 ou 10 % en poids de chitosane, avec ou sans l'EVA pour la compatibilisation. La plastification a grandement été améliorée par le changement de mise en forme. Les images des films réalisées au MEB, ont montré une réduction par 5 de la taille des domaines de chitosane par rapport aux mélanges produits avec le mélangeur interne. Cet aspect s'est répercuté sur l'aspect visuel qui a été fortement amélioré. La dégradation thermique des films a été accélérée par l'ajout du chitosane plastifié et les propriétés mécaniques ont été affectées négativement par l'ajout du chitosane. La compatibilisation avec l'EVA a malgré tout aidé à maintenir de bonnes propriétés mécaniques pour les plus faibles quantités de chitosane. De plus, l'ajout du chitosane plastifié n'a eu aucun impact sur les propriétés barrières à l'oxygène des films. Finalement, aucune activité antibactérienne n'a été mesurée en présence des films. La présence du chitosane à la surface du film n'a pas été observée et cela serait directement lié à viii l'absence de ces propriétés antibactériennes. En raison de l'efficacité du mélange dans l'extrudeuse, l'encapsulation du chitosane par l'EVA devait être complète.