Biobased PLA/PA11 Blends and the Incorporation of Cellulose Nanocrystal

Le mélange de polymère et la plastification sont connus comme deux stratégies majeures pour améliorer la ténacité du poly (acide lactique) (PLA). Cependant, l'étude de la combinaison de ces deux méthodes est absente de la littérature. Le mélange de PLA avec d'autres bioplastiques est une stratégie qui permet d'améliorer les propriétés mécaniques tout en conservant un aspect biomatériau. D'autre part, la plastification du PLA, a été la plus prometteuse pour améliorer la mobilité des chaînes du PLA. Cependant, le principal inconvénient de la plastification du PLA, est la baisse du module et de la résistance à la traction par rapport au PLA pur. L'incorporation de nano-inclusions solides dans un mélange polymère-polymère est une voie bien connue pour développer des matériaux avec un bon équilibre de ténacité/rigidité. Dans cette dissertation, la morphologie et les propriétés mécaniques des mélanges PLA/Polyamide 11 (PA11) et la localisation de la nanocellulose cristalline dans le mélange sont étudiés. Dans la première partie de ce travail, une étude systématique de la tension interfaciale et du développement morphologique du PLA/PA11 est effectuée. Il a été démontré que la tension interfaciale dans les mélanges PLA/PA11 dans des conditions dynamiques mesurée par la technique du triangle de Neuman (3.2 mN/m) est nettement inférieure à celle mesurée dans des conditions statiques par la méthode de rupture du fil (5.8 mN/m) et la rétraction de fibre intégrée (5.4 mN/m). Dans des conditions de mélange dynamiques, les analyses morphologiques et thermiques indiquent sans ambiguïté que le système PLA/PA11 se comporte comme un système hautement interactif interfacialement compatibilisé. Il a été démontré que la mobilité restreinte de la chaîne de PLA est la raison principale de l'écart observé entre le comportement statique et dynamique des mélanges PLA/PA11. L'amélioration de la mobilité de la chaîne de PLA grâce à l'ajout de 5% de plastifiant PEO a entraîné une tension interfaciale significativement plus faible et même une coalescence supplémentaire supprimée sous un mélange dynamique à 30 et 40% de phase mineure. Ces résultats sont importants car ils indiquent clairement que, même si les polymères peuvent avoir des interactions interfaciales, une mobilité de chaîne suffisante est nécessaire pour que ces interactions entrent en jeu. Dans la deuxième partie de ce projet, l'impact profond de la mobilité contrôlée de la chaîne de PLA sur les propriétés mécaniques des mélanges PLA/PA11 est étudié. Il a été démontré que l'amélioration de la ductilité du PLA améliorée suite à l'ajout d'une quantité optimale d'oxyde de polyéthylène (PEO), affecte de manière significative les propriétés mécaniques des mélanges PLA/PA11. Dans le mélange (PLA-15PEO)/PA11 50/50 vol%, une amélioration remarquable des propriétés mécaniques est observée avec des spécimens démontrant 17.5 fois la résistance aux chocs du PLA pur et 3 fois celui du PA11 pur. En outre, une amélioration exceptionnelle de l'allongement à la rupture à 275% a été enregistrée pour le même mélange, contre 5% pour le PLA et 6% pour le PLA/PA11. Les rôles critiques de la concentration de PEO, la séparation des phases de PLA/PEO, les interactions interfaciales et la cavitation interfaciale en tant que paramètres principaux contrôlant ce comportement de renforcement sont discutés en détail. Contrairement au PEO, le PEG n'a aucun effet en tant que plastifiant sur le durcissement du mélange PLA/PA11. Ceci est attribué à une séparation de phase PLA/PEG à des concentrations inférieures de PEG que pour PEO. Ces résultats sont d'une importance significative car ils indiquent clairement que la mobilité contrôlée des chaîne de PLA grâce à l'utilisation d'une concentration optimale d'un plastifiant approprié est une approche hautement efficace pour le développement de mélanges PLA/PA11 à haute performance. La troisième partie de ce travail présente, pour la première fois, la localisation thermodynamiquement stable des nanocristaux de cellulose (CNC) dans un mélange d'acide polylactique)/bio-polyamide11 (PA11) préparé avec une combinaison de dissolution du solvant, de coulée et de mélange à l'état fondu. La microscopie à force atomique (AFM) et l'analyse de rhéologie démontrent un niveau élevé de dispersion des CNC. Les CNC sont alimentés dans les mélanges à travers la préparation de mixtures PLA/CNC ou PA11/CNC par mélange à l'état fondu dans un mélangeur interne. Les particules CNC dans le mélange PLA/PA11 restent dans la phase PA11 lorsqu'elles sont ajoutées dans les mélanges à travers la mixture PA11/CNC. De manière significative, dans les systèmes ternaires dans lesquels les CNC sont introduits dans le mélange à travers la mixture PLA/CNC, les nanoparticules migrent de la phase de PLA qui est thermodynamiquement moins stable vers PA11, et ce indépendamment du fait que le PLA/PA11 forme une phase dispersée dans la matrice (PLA/PA11 70/30, 30/70 vol%) ou une morphologie co-continue (PLA/PA11 50/50 vol%). La localisation stable des CNC dans la phase PA11 est en accord avec les prédictions thermodynamiques. La morphologie de la phase dispersée n'est pratiquement pas affectée par l'addition de 3 wt% de CNC, ce qui est attribuée au niveau déjà faible de coalescence dans ces compositions. Cependant, l'addition de seulement 1 wt% de CNC au mélange co-continu PLA/PA11 50/50 vol%, avec le plus haut taux de coalescence, diminue considérablement le diamètre de la taille des pores de 13 μm à 3 μm. Il a été supposé que la relaxation retardée des domaines PA11 remplis par les CNC, est à l'origine cette réduction de coalescence. La dernière partie de ce travail rapporte le contrôle de la localisation stable des nano cristaux de cellulose (CNC) dans la phase PLA dans les mélanges PLA/PA11. Une stratégie de traitement versatile est optimisée en combinant l'homogénéisation-lyophilisation afin de préparer une mixture PEO/CNC. La mixture PEO/CNC préparé est par la suite incorporé dans des mélanges PLA/PA11 en utilisant deux stratégies de mélange différentes. La microscopie à force atomique (AFM) démontre une dispersion individuelle de nanoéchelle de CNC avec une épaisseur de 10-20 nm dans des mélanges PEO, PLA-PEO et (PLA-PEO)/A11 qui se situent dans la même gamme de nanoparticules CNC individuelles. Les particules CNC se localisent sélectivement dans la phase PA11 dans un système classique PLA/PA11/CNC ternaire. Cependant, les analyses SEM et AFM dans cette étude montrent la localisation stable presque exclusive des particules CNC revêtues de PEO dans la phase PLA, que la mixture PEO/CNC soit prémélangé avec PLA ou PA11. Il est suggéré que les fortes interactions entre les particules de CNC et PEO combinées à la miscibilité de PLA/PEO facilitent la localisation de la CNC recouverte de PEO dans la phase PLA. La localisation de 2 wt% de CNC dans la phase PLA-PEO diminue la taille des pores du mélange co-continu de 11 à 4 μm. Cependant, lorsque la CNC est sélectivement localisée dans la phase PA11, un plus grand effet de coalescence réduite est observé. Ceci est lié à une structure de réseau CNC plus développée dans le dernier cas au même chargement CNC. Les résultats de cette partie indiquent une stratégie pour la ségrégation de la CNC en PLA. Ainsi, il est possible d'avoir un degré élevé de contrôle sur la localisation CNC dans les mélanges PLA/PA11.