Study of Self-Adhesion and Biodegradation of Biodegradable Polymer Films

La nécessité criante de surmonter les problématiques liées à la fin de vie des films de plastique à base de pétrole utilisés dans l'industrie de l'emballage présente une opportunité unique d'évaluer le potentiel des plastiques bio-sourcés et biodégradables comme alternatives viables aux plastiques à base de pétrole. Les films de plastique en tant qu'emballages multicouches ont différentes fonctions telles que la résistance au transfert de l'oxygène, la vapeur d'eau et la perte d'arômes. On réfère à ces propriétés en tant que propriétés "barrières". Les performances de l'emballage dépendent également de certaines propriétés mécanique, thermique et chimique. Une fonction essentielle pour tout emballage hermétique, est fournie par une couche dénommé la couche de scellant. Cette couche garantie un scellage hermétique, qui assure sa performance au niveau des propriétés barrières. Le choix du matériau biodégradable pour la couche de scellant est un défi de taille et constitue un des focus principaux de cette thèse. Le manque de revues de littérature sur les propriétés de scellage et du comportement d'auto-adhésion des résines biodégradables est un problème considérable. De plus, la présence d'un choix limité de résines faisant partie de la classe des bioplastiques fait en sorte qu'il est nécessaire d'effectuer une quantité immense de tests préliminaires avec pratiquement toutes les résines accessibles. Le choix du matériau pour la couche de scellant a été effectué suite à l'évaluation préliminaire de plus de dix plastiques biodégradables différents. Les propriétés de ces matériaux ont des limitations au niveau de la ténacité, de la stabilité thermique et d'une cristallinité élevée. Conséquemment, la transformation et l'extrusion de ces matériaux requièrent des précautions extrêmes, puisque ces résines biodégradables sont susceptible à la dégradation thermique lors de la transformation à l'état fondu. Le Polylactide (PLA) est une résine bio-sourcée commercialement disponible avec de bonnes propriétés mécaniques et dont il est possible de contrôler la structure moléculaire lors de sa production. Les PLA disponibles sur le marché sont catégorisés dans deux groupes: le cristallin et l'amorphe. Suite à l'étude initiale, il est évident que le PLA amorphe possède le meilleur comportement lors du scellage à chaud. Cette résine a donc été sélectionnée comme matériau principal pour la suite des travaux. x Les bioplastiques disponible commercialement, en tant que résines pures, ne peuvent répondre aux exigences d'une couche de scellant pour une application d'emballage. C'est pourquoi des modifications subséquentes sont nécessaires. Dans le cas particulier du PLA, sa fragilité est un désavantage important. Une ténacité accrue peut être atteinte par le mélange à l'état fondu du PLA avec d'autres polymères de type élastomère, e.g. le caoutchouc naturel, les polyesters aromatiques, les copolyesters aromatiques, les polyoléfines, etc.. Le Poly-ε-caprolactone (PCL) et le Poly(butylène adipate-co-terephthalate) (PBAT) ont été sélectionnés comme représentant du groupe des polyesters aliphatique linéaires et des copolyesters aromatiques, respectivement. Ces deux polymères ont été utilisés afin de modifier les propriétés mécaniques et le comportement du scellage à chaud de la résine de PLA. L'amélioration simultané des propriétés de scellage via l'utilisation de mélanges de résines biodégradables est un autre focus de cette thèse. La modification du comportement de biodégradation de ces résines due à leur mélange est également étudiée, afin de déterminer si l'emballage peut toujours être considéré comme étant compostable. Initialement, dans le but de démontrer l'efficacité du mélange à améliorer les propriétés précédemment mentionnées; des mélanges renforcés de Poly(acide lactique) (PLA) et de Poly-ε-caprolactone (PCL) ont été investigués et comparés aux résines pures en terme de comportement mécanique et de leur performance au niveau du scellage. Tous les échantillons utilisés sont des films ayant une épaisseur de 35 μm, produit par extrusion au travers d'une filière plate. La morphologie des mélanges est affectée par l'écoulement en élongation présent dans la filière plate et une morphologie laminaire en résulte pour les mélanges de 20% et 40% de PCL. Il est démontré que la cristallinité des mélanges est affecté par la faible mobilité des chaînes moléculaires du PLA. Ceci résulte en des mélanges ayant d'avantage de phase amorphe. Jusqu'à 30oC de réduction des températures d'initiation pour le thermo-scellage et de la tenue à chaud a d'ailleurs été observé pour les mélanges comparativement au PLA pur. Toutefois, tous les échantillons avaient une température d'initiation supérieure à la température de fusion du PCL. Une augmentation de la force de tenue à chaud des mélanges, atteignant 1700g/25,4mm pour une teneur de 40% de PCL montre une amélioration significative de l'auto-adhésion des xi échantillons mélangés. Les propriétés mécaniques des mélanges sont également significativement affectées par le mélange à l'état fondu: une plus grande élongation à la rupture et une plus grande ténacité rendent ces mélanges moins susceptibles aux défauts causés par la manutention et le stockage. Le PCL est un polyester aliphatique relativement coûteux qui possède une temperature de fusion et une température de ramollissement assez basses. Ces caractéristiques entraînent un coût de production élevé, en plus d'engendrer des problématiques au niveau de la manutention et du stockage dans les régions arides. Il existe des alternatives au PCL, tel que le PBAT, qui fait partie des copolyesters aromatiques et qui possèdent une température de fusion plus élevée, avoisinant 120oC. Ses coûts de production sont également plus faible. L'utilisation d'une résine ayant un point de fusion élevé pour la modification des propriétés du PLA nécessite une étude approfondie sur la cristallinité et ses effets sur le comportement de ces résines lors du scellage à chaud. Afin d'apporter une compréhension approfondie des effets du mélange, nous avons subséquemment utilisé le Poly(acide lactique) (PLA) amorphe et ses mélanges avec le Poly(butylène adipate-co-terephthalate) (PBAT). L'avantage de ce mélange est le point de fusion du PBAT plus élevé que la température d'initiation de la tenue à chaud du PLA. Les mélanges de PBAT et PLA amorphe offrent la possibilité d'analyser l'effet du changement de la structure cristalline sur la température d'initiation de la tenue à chaud. En utilisant des films de PBAT ayant subi une trempe comme référence, il a été démontré que la structure cristalline du PBAT a un effet significatif sur la température d'initiation de la tenue à chaud (Tsi), causant jusqu'à 20oC d'écart sur cette propriété. L'incorporation du PBAT comme phase dispersée diminue la teneur cristalline du PBAT, ce qui modifie également la Tsi des mélanges. Dans ce cas, la même morphologie que les mélanges précédents a été obtenue, à cause du rapport des viscosités près de l'unité et du champ d'écoulement en élongation du procédé d'extrusion en filière plate. Un facteur de forme élevé de la phase dispersée est un atout facilitant le processus d'adhésion. L'amélioration de la résistance au perçage des mélanges les rend d'autant plus intéressant pour des applications en emballage flexible. xii Comme les mélanges présentaient une morphologie ayant des phases distinctes, nous avons évalué la capacité d'analyser la biodégradation de chaque phase, distinctement, dans un montage de compostage à échelle de laboratoire. Le niveau de dégradation a été suivi à l'aide d'un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier muni d'un module de réflexion totale atténuée (FTIR-ATR). Des mélanges binaires de Poly(acide lactique) ou de Polyhydroxybutyrate (PHB) et de Poly(butylène adipate-coterephthalate) (PBAT) ont été utilisés à cette fin. L'émanation cumulative de CO2 était mesurée comme indication du niveau de biodégradation de tout l'échantillon. Les résultats de la collecte des gaz ont été analysés avec les résultats obtenus à l'aide du spectromètre FTIR-ATR. Le rapport du pic d'absorption du lien C=O pour le PLA et le PHB vis-à-vis du pic pour le PBAT a diminué graduellement en fonction du temps de compostage. Ces résultats concordent avec les résultats de la collecte de CO2 dans le montage de compostage, ce qui démontre la propension de certaines phases des mélanges à se dégrader plus rapidement. Les images prises avec un microscope électronique à balayage (SEM) montrent la formation d'un réseau poreux tridimensionnel (3D) pour les deux types de mélange après 15 jours de compostage. Les résultats de l'accumulation de CO2 confirment que les mélanges se dégradent à un taux comparable aux résines pures, malgré qu'il soit affecté par le mélange et qu'ils soit inférieur au taux de dégradation des films de PLA et de PHB purs. Nos résultats montrent finalement que les films compostés perdent graduellement leur force de résistance en traction et que le module d'Young des échantillons diminue en fonction du temps de compostage.