Cellulose Nanofiber-Reinforced Polymer Biocomposites

L'intérêt d'incorporer des nanofibres de cellulose (CNFs) comme agents de renforcement pour améliorer les propriétés des matrices polymères a considérablement augmenté dernièrement, compte tenu de l'origine biologique de ces nanoparticules ainsi que leurs bonnes propriétés physiques et mécaniques, comparées aux renforts inorganiques. Cependant, il existe des défis importants liés à leur grand facteur de forme, nature fibrillaire, flexibilité élevée et hydrophilicité qui rendent les CNFs fortement enchevêtrées, et qui compliquent leur dispersion/distribution dans les polymères, en particulier dans les matrices hydrophobes. Cette thèse vise à développer des biocomposites polymères/CNF avec une microstructure bien dispersée et des propriétés améliorées. Nous avons choisi deux polymères qui nécessitent des améliorations au niveau de leurs propriétés thermomécaniques: le polylactide (PLA), qui est un polymère hydrophobe et d'origine biologique, et le poly(oxyde d'éthylène) (PEO), qui est un polymère hydrophile, biocompatible et biodégradable. Les biocomposites ont été préparés par des méthodes de mélange simple, soit en utilisant du N,N-diméthylformamide (DMF), soit en utilisant de l'eau comme solvant. À titre de comparaison, certains composites ont aussi été préparés à l'état fondu. Des composites à haute performance comprenant du PLA et des CNFs (0,25–5% massique) ont été d'abord préparés par coulée de solvant sans aucune comptabilisation. La viscosité complexe et le module élastique des biocomposites PLA/CNF ont été augmentés jusqu'à deux et cinq ordres de grandeur, respectivement, à basses fréquences comparativement au PLA. Une amélioration jusqu'à 50% pour le module d'Young du PLA a été obtenue par incorporation des CNFs. De même, la résistance à la traction a été augmentée de 31%. Le module élastique en flexion dans l'analyse thermique mécanique dynamique (DMTA) a été augmenté jusqu'à 51 et 264% à température ambiante et 70 °C, respectivement. Une bonne transparence a été retenue pour les films biocomposites dans la plage de lumière visible, comparativement à celle du PLA. La seconde partie de ce projet était liée à la préparation de biocomposites de PEO/CNF renforcés avec différents chargements de nanofibres, c'est-à-dire de 1 à 3% massique, par mélange en solution aqueuse. À basses fréquences, pour les biocomposites PEO/CNF, on a obtenu des augmentations allant jusqu'à deux et trois ordres de grandeur pour la viscosité complexe et le module élastique, respectivement, comparé au PEO seul. Le module d'Young et le module élastique en DMTA à température ambiante ont été améliorés par environ 48% en ajoutant 3% massique de CNFs au PEO; la résistance à la traction a également augmenté de 35%. De plus, la transparence des films composites dans la plage de lumière visible était similaire à celle du film de PEO non chargé. Pour les biocomposites préparés à l'état fondu, les CNFs étaient mal dispersés et, par conséquence, aucune amélioration des propriétés n'a été observée. Dans la dernière partie, un polyéthylène glycol (PEG) a été utilisé comme agent comptabilisant pour le système PLA/CNF. Initialement, un « masterbatch » CNF/PEG (rapport 1:2) a été préparé en solution aqueuse. Ensuite, les biocomposites ont été élaborés par la méthode de coulée de solvant. Différentes techniques microscopiques ont montré que les CNFs étaient mieux dispersées/distribuées dans le PLA lorsque l'agent comptabilisant était présent. La viscosité complexe et le module élastique de composites comptabilisés ont été augmentés d'un ordre de grandeur par rapport aux composites non compatibilisés. En utilisant un agent comptabilisant, les modules élastiques en DMTA du PLA contenant 2% massique de nanofibres, à température ambiante et à 80 °C, ont été augmentés jusqu'à 42 et 553%, respectivement, par rapport au PLA. L'effet de nucléation des CNFs sur la cristallisation du PLA était plus prononcé par rapport aux échantillons non compatibilisés. Aussi, une meilleure transmission de la lumière a été mesurée pour les films composites PLA/CNF/PEG par rapport aux films PLA/CNF. D'autre part, aucune amélioration des propriétés, par rapport à la matrice, n'a été observée pour les biocomposites préparés à l'état fondu. En conclusion, la morphologie, la rhéologie, les propriétés mécaniques et les résultats de transmission de la lumière ont confirmé qu'en utilisant des méthodes de préparation en solution simples, une bonne dispersion et distribution des CNFs dans les matrices polymères PLA, PEO et PLA/PEG a été obtenue. Des améliorations substantielles des propriétés thermomécaniques des composites ont été constatées à faibles teneurs en nanofibres.