Improving the Processability of Polylactide for Film Blowing Application

Le polylactide (PLA) est l'un des biopolymères les plus importants ayant suscité des intérêts dans de nombreux domaines; non seulement en raison de sa production à partir de ressources renouvelables et compostable, mais aussi parce qu'il a une résistance élevée, un module élastique élevé et possède de bonnes propriétés optiques. Cependant, le PLA souffre des faiblesses qui limitent son développement pour diverses applications. Le manque de groupes latéraux réactifs, une faible cristallinité, une faible résistance à l'impact, une basse température de fléchissement sous charge (HDT), ainsi que des problèmes de mise en œuvre, c'est à dire la sensibilité à la chaleur et à l'humidité et une faible élasticité à l'état fondu sont les défis principaux à surmonter. L'objectif de cette recherche est de faciliter la transformation et la mise en forme de la résine PLA. Plus précisément, sa faible élasticité à l'état fondu limite l'usage du PLA dans les procédés de soufflage de film, de moulage par soufflage, de moussage à faible densité, etc. Il n'y a pas assez d'informations au sujet de ce problème dans la littérature scientifique. Basé sur notre revue de la littérature et en comparant le PLA avec d'autres polymères linéaires tels que le polyéthylène basse densité linéaire (LLDPE) et le polypropylène (PP) pour qui les améliorations d'élasticité à l'état fondu ont été fait par l'incorporation de polymère ramifié, il a été décidé d'utiliser des analogues ramifiés pour améliorer le comportement d'écoulement du PLA à l'état fondu. En outre, il a été observé que l'incorporation de poly (D-lactide) (PDLA) en poly (L-lactide) (PLLA) résulte en leur co-cristallisation ce qui améliore les propriétés rhéologiques en extension; cependant, ce comportement n'a pas encore été étudié en détail. Par conséquent, les principales approches de cette recherche sont basées sur l'emploi de le PLA ramifié, le stéréocomplexe de PLA et leur combinaison. Après avoir examiné différentes méthodes de ramification de PLA, la synthèse directe du PLA a été choisie en raison de sa flexibilité pour produire différentes architectures de chaîne, du contrôle sur la masse moléculaire et le potentiel d'augmenter l'élasticité à l'état fondu sans formation de gel. Différentes structures ramifiées ont été synthétisées et caractérisées afin de montrer un comportement rhéologique et une cristallinité plus intéressants que ceux du PLA linéaire. Les PLA branchés avec différentes stéréochimies ont été mélangés avec le PLA linéaire selon différents rapports de mélange pour explorer l'effet de l'architecture de branchage et leur contenu ainsi que du stéréocomplexe sur la rhéologie de polymère linéaire en cisaillement et en extension. Une viscosité plus élevée, en cisaillement et en extension, et un durcissement par déformation ont été observés par l'application de ces stratégies. Par ailleurs, une étude détaillée a révélé des modifications importantes au comportement de cristallisation suite à l'addition de ramifications. La cinétique de cristallisation en modes isotherme et dynamique a été considérablement améliorée en comparaison avec le PLA linéaire et le rôle de la nucléation des points de branchement a été démontré par des moyens différents. La formation de cristallites de stéréocomplexe entre le PDLA ramifié et le PLLA linéaire ainsi que le rôle de nucléation de cristallites de stéréocomplexe ont été étudiés et différentes morphologies internes de sphérulites de cristallites de stéréocomplexe et d'homocristaux ont été illustrées. En outre, la facilité de mise en œuvre des mélanges modifiés a été examinée dans un procédé de soufflage de film, présentant une large fenêtre de traitement et le taux de production plus élevé en comparaison avec la résine commerciale de référence. En outre, la cristallisation et les propriétés mécaniques et optiques des films produits ont été étudiées, révélant l'effet significatif des modifications de la structure sur les propriétés finales du film.

Abstract

Polylactide (PLA) is among the most important biopolymers that has raised interests in many areas; not only because of its production from renewable resources and compostability, but also because it has high strength, high modulus and good optical properties. However, PLA suffers weaknesses that restrict its development for different applications. Lack of reactive side groups, low crystallization rate, impact resistance and heat deflection temperature (HDT) as well as processability problems, i.e. heat and moisture sensitivity and low melt strength are the main challenges. The objective of this research is to overcome the processability problem of PLA. More specifically, its low melt strength has limited its applications in film blowing, blow molding, low density foaming, etc., and there is not much information regarding this problem in the open literature. Based on our review and comparing PLA with other linear polymers such as linear low density polyethylene (LLDPE) and polypropylene (PP) for which melt strength improvements were done by incorporation of branched polymer, branched PLA is used for this purpose. Besides, it was observed that incorporation of poly(D-lactide) (PDLA) into poly(L-lactide) (PLLA) results in their co-crystallization that also improves the extensional rheological properties; however, it has not been studied in detail. Therefore, the main approaches in this research were based on employing branched PLA, PLA stereocomplex and their combination. After reviewing different PLA branching methods, direct synthesis of branched PLA was selected because of the flexibility to produce different chain architectures, more control on molecular weight and its potential to increase melt strength without gel formation. Different branched structures were synthesized and characterized, showing interesting rheological and crystallization behavior compared to linear PLA. Branched PLAs with different stereochemistry were blended with linear PLA at different blending ratios to explore the effect of branch architecture and content as well as stereocomplex structure on shear and elongational rheology of linear polymer. Higher shear and extensional viscosities and strain hardening behavior were observed by applying these strategies. In addition, a detailed study revealed significant changes to crystallization behavior as a consequence of branched chain architecture. Crystallization kinetics in isothermal and dynamic mode was considerably enhanced in comparison with linear PLA and the nucleation role of branching points was demonstrated by different means. Stereocomplex formation between branched PDLAs and linear PLLA as well as the nucleation role of stereocomplex crystals for homocrystallization were studied and different internal spherulite morphologies for stereocomplex and homocrystal was illustrated. Furthermore, processability of the modified blends was examined through film blowing process, showing a wider processing window and higher production rate in comparison with the reference commercial resin. In addition, mechanical, crystallization and optical properties of the produced films were investigated, revealing the significant effect of structure modification on final film properties.