Controlled Wetting in Multiphase Polymer Blends with Polylactide: Morphology and Performance

Le mélange de polylactide (PLA) avec d'autres polymères est une approche viable à l'expansion dans d'autres champs d'applications. La vaste majorité de la littérature concernant les mélanges à base de PLA ce concentrent sur les mélanges binaires. Malgré tout, récemment, les mélanges de polymères multi-phases ont reçu une attention particulière dû à leur potentiel en tant que matériaux multifonctionnel haute performance. La clé pour obtenir de tels matériaux est de contrôler la morphologie des phases et de comprendre sa relation avec les propriétés. Pour les mélanges multiphases de polymères, particulièrement un système ternaire, deux grandes catégories d'états morphologiques sont définies : le mouillage complet, qui montre un comportement de contact entre deux phases, et le mouillage partiel, où trois sont en contact l'une avec l'autre et qui vient seulement de commencer à être étudié en détail récemment. Cette dissertation fait état de la morphologie de mélanges ternaires et quaternaires à base de PLA dans le contexte des deux états de mouillage et leur relation avec les propriétés mécaniques. Dans la première partie de cet ouvrage, nous examinons la morphologie de mélanges ternaires et quaternaires du PLA avec le poly(butylene succinate) (PBS), le poly(butylene adipate-coterephthalate) (PBAT) et le poly(3-hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) (PHBV). Les échantillons mélangés à l'état fondu ont subi un traitement thermique subséquent afin de déterminer les états thermodynamiques les plus stables de mouillage complet ou partiel. Les tensions interfaciales entre les composantes ont été mesurées à l'aide de trois techniques différentes, à savoir : la rupture du fil (BT), la rétraction des fibres ancrées (IFR), et l'approche triangle-in situ de Neumann (NT). L'imagerie FTIR est présentée comme une nouvelle méthode d'identification de phase et d'analyse de la morphologie utile pour caractériser les systèmes multi-phases de structures chimiques similaires, tels que les bio-polyesters utilisées dans ce travail. Les mélanges ternaire 33PLA/33PBS/33PBAT montrent un comportement au mouillage complet tri-continu avant et après un traitement thermique, ce qui concorde étroitement avec l'analyse de la théorie d'étalement. Le système quaternaire PLA/PBS/PBAT/PHBV montre un comportement de mouillage dépendant de la concentration. Une morphologie complètement mouillée continue des quatre phases est trouvée pour 25PLA/25PBS/25PBAT/25PHBV après mélange. Durant le traitement thermique, il y a rupture des phases de PBAT qui forment des gouttelettes à l'interface PBS/PHBV. Cependant, à 10% volumique de PBAT, des gouttelettes partiellement mouillées de PBAT à l'interface de PBS et PHBV sont observés et ils restent stables après le recuit quiescent.Les résultats morphologiques après recuit pour le mélange quaternaire sont fortement corrélés avec les prédictions thermodynamiques basées sur les mélanges ternaires constitutifs. Ces résultats montrent que le contrôle de la composition pour le mélange des systèmes multi-phases avec de faibles tensions interfaciales peut se traduire par un changement complet du comportement d'étalement. Dans la deuxième partie de cette recherche, nous étudions le comportement de mouillage de trois phases intermédiaires différentes en fonction de la composition et du recuit de mélanges ternaires produit à l'état fondu PLA/PHBV/PBS, PLA/PBAT/PE et PLA/PE/PBAT. Ces systèmes ont tous montrés un comportement de mouillage partiel. Une transition d'un mouillage partiel à complet est observée pour les gouttelettes partiellement humides de PHBV et PBAT dans le PLA/PHBV/PBS et PLA/PBAT/PE, tandis que les gouttelettes de PE partiellement mouillées restent stables à l'interface du PLA/PBAT même à une concentration élevée en PE de 20% et après 30 min de recuit quiescent. La tension interfaciale des différentes composantes et les angles de contact des gouttelettes partiellement mouillées, confinées à l'interface de contact, ont été examinés en détail. L'analyse thermodynamique des coefficients d'étalement prédit une faible tendance au mouillage partiel pour les gouttelettes de PHBV et de PBAT dans le PLA/PHBV/PBS et le PLA/PBAT/PE, tandis qu'un mouillage partiel fort est prévu pour les gouttelettes de PE dans le PLA/PE/PBAT. Les trois systèmes de mélange présentent une coalescence considérablement améliorée en fonction de la composition et du temps de recuit, à cause du confinement des gouttelettes à l'interface. Un modèle de ségrégation est utilisé pour expliquer les divers phénomènes de mouillage et leur dépendance à la concentration et au temps de recuit. Les résultats indiquent le potentiel évident que le confinement interfacial, la composition, et le temps de recuit dans les systèmes multiphases ayant une morphologie avec mouillage partiel, puissent se traduire par un changement complet du comportement d'étalement. Ce travail montre l'excellent potentiel pour le mouillage contrôlé et la structuration des systèmes de polymères ternaires et présente une voie vers la préparation d'une panoplie de nouvelles structures morphologiques. Dans la troisième partie de ce travail, nous examinons l'effet d'une structure de mouillage partiel sur la compatibilisation et la trempe d'un mélange co-continu de PLA/PA11. Quatre polymères différents : le PBS, le PBAT, l'EMA et l'EMA-GMA sont examinés pour leur capacité à mouiller partiellement l'interface PLA/PA11 dans un procédé de mélange en phase fondue, grâce à l'analyse de la morphologie et des propriétés physiques. Tous les mélanges présentent une morphologie de mouillage partiel avec une gamme d'efficacités de compatibilisation et d'effets de durcissement. L'EMA-GMA montre le meilleur effet de compatibilisation en réduisant la taille de la phase cocontinue à près de la moitié de celle du mélange binaire PLA/PA11 initial, en atteingnant 5-6 μm. Une augmentation significative de la ductilité des mélanges ternaires est obtenue, l'EMA montrant la plus forte amélioration avec un allongement à la rupture de 260% par rapport à 4% pour le mélange binaire. Une augmentation substantielle de la résistance au test de choc Izod est également obtenue avec l'EMA montrant quatre fois la résistance à l'impact du mélange binaire d'origine à 73 J/m. Nous croyons que les effets combinés de la morphologie compatibilisé, une bonne adhérence interfaciale et la cavitation interfaciale percolé de gouttelettes partiellement mouillées, suivis par la rupture en cisaillement de la matrice contribuent à l'effet de durcissement observé dans les mélanges ternaires partiellement mouillés. Ces résultats suggèrent une technique intéressante qui exploite les gouttelettes partiellement mouillées afin de compatibiliser et renforcer les structures co-continues. Enfin, nous étudions la corrélation entre une morphologie de mouillage complet et l'augmentation de la ténacité dans un mélange ternaire à base de PLA/PA11. Nous montrons que lorsque du polyéther-b-amide (PEBA) est ajouté à au mélange PLA/PA11, il se propage entièrement à l'interface et s'assemble en une couche mince à l'interface du PLA et PA11 entièrement percolés. Ceci augmente considérablement la résistance à l'impact Izod, pour atteindre 142,4 J/m, par rapport à 17,3 J/m pour le mélange de PLA/PA11. L'addition supplémentaire d'oxyde de polyéthylène (PEO), dans la phase de PLA résulte en un matériau ultra-tenace manifeste par l'augmentation spectaculaire de la résistance à l'impact Izod qui atteint 728,6 J/m. Le PEBA est un élastomère thermoplastique capable de fortes interactions interfaciales avec le PLA et le composant amide dans le copolymère a une affinité naturelle pour le PA11. Le PEO ajoutée renforce également les interactions interfaciales et la mobilité de chaîne du PLA. La ténacité à la traction et la résistance à l'impact Izod sont fortement influencés par la région critique de la composition co-continue du système binaire PLA/PA11, les mélanges au-delà de cette région de composition démontrent une mauvaise ténacité. On constate que les effets combinés de la co-continuité, d'interactions interfaciales fortes, d'une interface déformable et d'une mobilité suffisante des chaînes de PLA sont tous essentiels à la réalisation du comportement ultra tenace dans le mélange PLA/PA11. Les surfaces de fracture des tests d'impact des mélanges ont été analysées et les résultats ont révélés une cavitation significative au sein de la phase PEBA déformable. Un mode de rupture ductile par cisaillement est observé dans les mélanges ultras tenaces qui devrait être induite par le chevauchement des contraintes dans la phase PEBA déformable, conjointement à une adhérence interfaciale appropriée. Ces résultats établissent une stratégie pour l'augmentation de la ténacité des mélanges de polymères à phases multiples, en particulier à proximité de la région de cocontinuité.