Localization of Solid Micro and Nano-Inclusions in Heterophase Bioplastic Blends

Le mélange de poly (acide lactique), PLA, et autres bioplastiques à haute résistance à l'impact a été introduit en tant que méthode efficace pour améliorer la ténacité du PLA. Toutefois, cette stratégie réduit considérablement le module d'Young et la résistance mécanique du PLA. L'ajout de particules solides est une méthode bien connue pour réconcilier l'équilibre rigidité / ténacité des matrices polymères. Bien que l'importance de contrôler la localisation des inclusions solides dans des mélanges de polymères soit mise en évidence, la littérature échoue à fournir une analyse détaillée des mécanismes de migration et n'identifie pas en détail les conséquences des paramètres thermodynamiques et cinétiques relatifs à la localisation de particules solides dans des mélanges de polymères. Dans ce mémoire, la localisation et la migration des particules de micro- et nano-silice sphériques dans deux mélanges de bioplastiques, soit : PLA / polyéthylène basse densité (LDPE) et PLA / poly (butylène adipate-co-téréphtalate), PBAT, ont été étudiés. Dans la première partie de ce travail, une étude détaillée de la miscibilité et du développement de la morphologie dans le mélange PLA / PBAT a été réalisée. Une tension interfaciale de 0,6 ± 0,15 mN / m a été déterminée pour le couple PLA et PBAT en ajustant le modèle de Palierne sur les données rhéologiques. La miscibilité du PLA / PBAT a ensuite été examinée en étudiant le décalage de la température de transition vitreuse (Tg) des phases de polymère à différentes compositions. Les résultats obtenus indiquent une miscibilité partielle unidirectionnelle limitée des molécules de PBAT dans la phase riche en PLA. Cette miscibilité partielle dépend significativement du poids moléculaire du PBAT, qui reflète son caractère entropique. L'analyse de la morphologie des échantillons a montré que la phase dispersée dans les mélanges de PLA / PBAT existe sous la forme de fibres, même à basse composition de 1% en vol. de la phase dispersée. Enfin, la région de co-continuité dans les mélanges de PLA / PBAT a été déterminée en utilisant une approche rhéologique. Il a été montré que le mélange PLA / PBAT a une région de co-continuité symétrique large située entre 30 à 40 et 60 à 70 vol.% de PBAT. Dans la deuxième partie de ce projet, la localisation et la migration des particules de silice dans les mélanges de PLA / PBAT ont été étudiés. Basé sur les énergies de surface mesurées du PLA et PBAT, le modèle d'Young prédit que la position d'équilibre thermodynamique des particules de silice se situe dans la phase de PBAT. Suite à l'ajout de particules de silice au PLA / PBAT iv fondu, les particules de micro- et nano-silice ont été localisées dans la phase de PBAT quelle que soit la viscosité de la phase de PLA. Il a été démontré que cette localisation sélective se produit lors des premières étapes de mélange et a été attribuée à la tension interfaciale inférieure du couple PBAT / silice par rapport au couple PLA / silice. L'influence des paramètres cinétiques a été étudié en effectuant le pré-mélange des particules de silice avec la phase PLA, ainsi, les particules étaient localisées dans la phase thermodynamiquement défavorable. Il a été constaté que la migration des particules de micro-silice à partir de la phase PLA à l'interface dépend fortement de la viscosité de la phase PLA, du taux de cisaillement lors du mélange et de la taille des particules de silice. Ces résultats mettent en évidence le rôle critique de l'étape du retrait du film de PLA entre les particules de micro-silice et l'interface. Suite au pré-mélange de particules de nano-silice dans la phase PLA, une localisation stable à l'interface PLA/PBAT a été constatée, quel que soit la viscosité de la phase PLA. En utilisant un modèle semi-empirique récemment mis au point pour déterminer la vitesse de migration de particules sphériques à l'interface, il a été montré que la localisation stable des particules de silice à l'interface est dû à la vitesse de migration très lente à l'interface, qui provient de la faible tension interfaciale entre le PLA et le PBAT. Dans la dernière partie de cette thèse, les effets des paramètres thermodynamiques et cinétiques sur la migration et la localisation des particules de micro- et nano-silice dans un mélange à haute tension interfaciale de PLA / LDPE ont été étudiés. La surface des particules de micro-silice a été modifié par greffage de (2-Dodecen-1-yl) d'anhydride succinique en utilisant une nouvelle approche de réaction en phase gazeuse. Les localisations d'équilibre thermodynamique de particules de silice non-modifiées et modifiées ont été déterminées comme étant dans la phase PLA et à l'interface, respectivement. Il a été constaté que l'addition de particules de silice non-modifiées et modifiées à une masse fondue de PLA et de LDPE haute viscosité (H-LDPE) résulte en l'encapsulation préférentielle des particules de la phase avec laquelle ils ont la plus faible tension interfaciale. Les effets des paramètres cinétiques ont été étudiés en pré-mélangeant des particules de silice avec la phase H-LDPE suivi du mélange avec le PLA. Il a été constaté que le retrait du film de LDPE entre les particules et l'interface joue un rôle critique dans l'inhibition de la migration des particules de micro-silice non-modifiées et modifiées vers le PLA et l'interface, respectivement. D'autre part, lorsque les particules de nano-silice ont été utilisées, les particules individuelles de nano-silice ont pu migrer vers la phase PLA , tandis que les agrégats de nano- v silice sont restés dans la phase H-LDPE. Ces résultats indiquent que la localisation de nanoparticules bien dispersées dans un mélange de polymères à haute tension interfaciale est peu susceptible d'être influencée par les effets cinétiques. En comparant les résultats obtenus pour la localisation des particules de silice dans les mélanges PLA/PBAT et PLA/LDPE, une perspective générale des paramètres importants dans le contrôle de la migration et de la localisation des particules dans les mélanges de polymères est présenté.