Optimisation du phénomène d'émulsion dans les mélanges amidon thermoplastique/polyéthylène

L'amidon, ressource renouvelable et peu coûteuse, peut être plastifié (par du glycérol par exemple) et cette plastification permet d'obtenir un matériau appelé Amidon Thermoplastique (TPS) qui peut être mis en oeuvre à l'état fondu comme un polymère thermoplastique conventionnel tout en étant biodégradable. Ses propriétés restant plus faibles que celles obtenues pour un polymère classique, il peut être mélangé à d'autres polymères (synthétiques ou bioplastiques). Grâce au procédé développé dans notre groupe de recherche, il est possible d'obtenir des mélanges polyéthylène (PE) /TPS ayant des propriétés mécaniques proches du PE, tout en limitant l'utilisation de ce dernier. Cependant, afin d'obtenir des matériaux plus performants, la stratégie consiste à étudier précisément l'interface entre les deux matériaux constituants le mélange et la morphologie de ce dernier. Ce type de mélange étant composé de deux phases immiscibles, un agent interfacial est introduit dans le mélange afin de diminuer la tension interfaciale existante entre les deux polymères. En migrant à l'interface, un agent efficace va permettre de réduire la taille des particules de la phase dispersée et de renforcer l'interface. Les propriétés finales du matériau (en traction, de résistance à l'impact…) peuvent être ainsi améliorées. Un procédé d'extrusion en une seule étape, mis au point au sein de ce laboratoire et consistant en une combinaison entre extrudeuses bi-vis et mono-vis, est utilisé pour la fabrication des mélanges. Le TPS utilisé contient 36% de glycérol et constitue la phase dispersée du mélange (20% TPS/80% HDPE). L'agent interfacial est introduit avec la matrice polyéthylène haute densité (HDPE) et sa quantité est donnée par rapport à la phase dispersée. L'agent interfacial PE-g-MA (polyéthylène greffé avec de l'anhydride maléïque) a déjà été testé lors de précédents travaux mais montre un problème de migration vers l'interface due à sa trop grande compatibilité avec la phase matrice enHDPE. Plusieurs autres agents interfaciaux, de structures chimiques différentes, ont été testés afin de déterminer laquelle des structures chimiques de l'agent est la plus efficace pour compatibiliser le mélange PE/TPS tout en permettant la conservation voire l'amélioration des propriétés mécaniques : PE-g-MA (la référence, testé pour rendre possible la VI comparaison), PP-g-MA (polypropylène greffé avec de l'anhydride maléïque), et trois terpolymères éthylène-ester acrylique contenant de l'anhydride maléïque distribué de façon aléatoire sur la chaîne.

Abstract

Starch is a renewable resource and can be plasticized by glycerol for example. This plasticization gives a new material called Thermoplastic starch (TPS). TPS is capable of flow and is biodegradable but its properties are still below to the ones obtained for classical polymers. TPS can be mixed with a synthetic polymer to reduce the use of synthetic polymers, such as high density polyethylene (HDPE). The obtained blend, as melted in our laboratory, behaves in a manner similar to conventional polymer-polymer blends. The strategy used here to obtain a material with good properties is to examine precisely the interface/morphology relationship. As the interfacial tension between the two components of the blends is pretty high, an interfacial agent is introduced in the blend in order to decrease the interfacial tension. By localizing itself at the interface, the interfacial agent permits an influence on the dispersed phase particles size, an improvement of the interfacial adhesion and mechanical properties of blends. A one-step combined twin-screw/single screw extrusion, developed in our laboratory, is used to obtain the blends, the glycerol content in TPS was 36%, the dispersed phase-TPS was 20% (80% of HDPE) and the interfacial agent was introduced in the HDPE-matrix phase. PE-g-MA (ethylene grafted maleic anhydride) had already been tested as interfacial agent but showed a problem of migration to the interface due to its too high compatibility with PE phase. In this work, performances of a range of compatibilizers presenting different chemistries have been studied in order to determine which one provided the best emulsification and mechanical properties to PE/TPS blends such as PE-g-MA (for the comparison), PP-g-MA, and three different ethylene-acrylic ester-ethylene grafted maleic anhydride terpolymers. These three last interfacial agents are noted as PE-Mac-MA, PE-Eac-MA and PE-Bac-MA, the acrylic ester being methyl acrylate, ethyle acrylate and butyl acrylate respectively. A better chemical structure of the interfacial agent will allow the decrease of Ccrit, the interfacial agent critical concentration at which the interface is saturated and at which no more decrease of the dispersed phase size is observed. Decreasing this Ccrit is essential from IX a production costs point of view. Detailed analysis have been conducted such as microscopy (SEM), image analysis, interfacial area calculations, tensile tests, impact performance, rheology and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR).