Development of Natural Fiber Reinforced Polylactide-Based Biocomposites

Le polylactide ou PLA est un polymère biodégradable qui peut être produit à partir de ressources renouvelables. Ce polyester aliphatique présente de bonnes propriétés mécaniques similaires à celles du polyéthylène téréphtalate (PET). Depuis 2003, du PLA à haut poids moléculaire est produit à l'échelle industrielle et commercialisé sous forme de grades amorphes et semicristallins pour diverses applications. L'amélioration de la cinétique de cristallisation du PLA est cruciale pour que ce biopolymère devienne compétitif face aux plastiques issus du pétrole et puisse les remplacer. D'autre part, la combinaison de fibres naturelles avec des matrices polymériques issues de ressources renouvelables, afin de produire des polymères composites entièrement biosourcés et biodégradables, a été une tendance marquée dans les activités de recherche au cours de la dernière décennie. Néanmoins les différences liées à la structure chimique, notamment observées dans la nature fortement hydrophile des fibres et le caractère hydrophobe des matrices thermoplastiques, représentent un inconvénient majeur pour les interactions fibre/matrice. Le but de la présente recherche a été d'étudier les interactions intrinsèques fibre/matrice dans des polymères composites issus de fibres naturelles et du PLA, préparés par un mélange à l'état fondu. Des fibres de lin courtes présentant une longueur nominale d'environ 1 mm ont été sélectionnées comme renfort; par la suite, des biocomposites contenant une charge de fibres faible à modérée ont été préparés par mélange direct des fibres avec la matrice à l'état fondu. La rupture des faisceaux de fibres pendant la mise en forme a conduit à d'importantes réductions dans la longueur et le diamètre des fibres. Le rapport de forme moyen a été diminué d'environ 50%. La cinétique de cristallisation au repos du PLA et des systèmes biocomposites a été examinée sous conditions isothermes et non isothermes. La capacité de nucléation des fibres de lin a été démontrée et la cristallisation du PLA a été effectivement accélérée en présence du renfort. Cette amélioration a été de plus contrôlée par la température à laquelle la cristallisation a eu lieu, la transition de la phase liquide à la phase solide étant thermodynamiquement favorisée par le degré de surfusion. Lors de la cristallisation, les propriétés viscoélastiques devraient être fortement influencées par le développement des cristallites et leur empiètement. La rhéométrie a été choisie comme technique appropriée pour étudier l'évolution de la viscosité complexe et des modules de conservation et de perte lors de la cristallisation du PLA et de ses biocomposites. L'optimisation des conditions expérimentales a été nécessaire afin de compenser adéquatement le vi rétrécissement du polymère, qui est un souci majeur pour la reproductibilité des mesures, en particulier à niveaux élevés de surfusion. Cette étude a démontré que la vitesse de cristallisation était accrue en présence des fibres de lin, et ce dans une large gamme de températures de cristallisation. Étant donné que le développement de la cristallisation dans les procédés à échelle industrielle peut différer grandement des études sous conditions au repos, une investigation préliminaire de l'effet de l'écoulement en cisaillement sur la cristallisation du PLA a été entreprise. En utilisant le même intervalle de vitesses de cisaillement, deux ensembles de conditions ont été étudiés, à savoir (1) déformation totale constante, et (2) temps de cisaillement constant. Dans les deux cas, l'accroissement de la cinétique de cristallisation a été démontré par une diminution du temps d'induction, laquelle est devenue plus importante aux vitesses de cisaillement les plus élevés. Environ 75% de réduction du temps d'induction a été observée à 4 s-1, le taux de cisaillement maximal atteint dans cette recherche. La réduction de la taille des particules de cellulose de l'échelle micro à l'échelle nanométrique a également attiré une attention croissante lors de la dernière décennie. Les réseaux bien dispersés de fibres nanométriques dans des matrices polymères peuvent apporter des améliorations extraordinaires dans la résistance du matériau et modifier les interactions particule/polymère au niveau moléculaire. En conséquence, la cristallisation peut être favorisée à très basses concentrations de renfort. Il est bien connu que la dispersion des nanocristaux de cellulose (NCC) dans les systèmes non aqueux est un défi majeur pour développer davantage ces promesses nanométriques. Dans ce travail, un nouveau procédé composé de deux étapes: le mélange en solution suivi par le malaxage à l'état fondu, a montré d'excellents résultats dans la dispersion de faibles charges de NCC dans le PLA. L'oxyde de polyéthylène (PEO) à bas et haut poids moléculaires a été proposé comme un polymère porteur de nanocristaux et l'encapsulation des NCC dans le PEO a été réussie. La réduction de la taille des agglomérats a été contrôlée par l'augmentation du rapport en poids PEO:NCC. Un effet synergique entre la plastification et le renforcement de la matrice PLA a été clairement mis en évidence par le comportement cristallin des nanocomposites. La méthode de préparation de nanocomposites issus de PLA, NCC et PEO, présentée dans cette thèse, représente un pas en avant dans les applications potentielles de ces nanoparticules dans les matériaux composites verts.