Comportement rhéologique à l'état fondu de nanocomposites à base de nanocristaux de cellulose (CNCs)

Les propriétés rhéologiques de suspensions de nanocristaux de cellulose (CNCs), dans le polyéthylène glycol (PEG) et le polylactide (PLA), ont été étudiées à l'état fondu. Les CNCs, obtenus par une hydrolyse à l'acide sulfurique de pulpe de bois, sont séchés par pulvérisation ou lyophilisation. L'ultrasonication a été utilisée pour disperser les CNCs en solvants favorables aux polymères respectifs. Ces suspensions sont ensuite mélangées à des solutions de PEG ou PLA. Le séchage sous vide des échantillons et leur moulage par compression permet l'obtention de nanocomposites. Ces derniers possèdent, à l'état fondu, un comportement à seuil dès une faible fraction volumique de CNCs : ~0,2 et 0,55% vol dans les matrices PEG et PLA, respectivement. Ces résultats sont caractéristiques d'un réseau de percolation et suggèrent une très bonne dispersion des CNCs dans ces matrices thermoplastiques, en accord avec les observations effectuées en microscopie électronique en transmission. L'évolution du module élastique relatif et de la viscosité complexe relative suggèrent que l'état de dispersion des CNCs est meilleur dans le PEG que dans le PLA. Ces indicateurs rhéologiques sont comparés aux prédictions thermodynamiques, liées aux paramètres de solubilité d'Hansen, pouvant être tirés du graphique de Teas des CNCs.

Abstract

The rheological properties of cellulose nanocrystals (CNCs) suspensions in molten polyethylene glycol (PEG) and polylactic acid (PLA) were investigated. The CNCs were obtained from sulfuric acid hydrolysis of wood pulp and were supplied after a spray- or freeze-drying process. Ultrasonication was used to achieve the CNC dispersion in solution and the suspensions were subsequently mixed with PEG and PLA, with a corresponding good solvent. The samples were subsequently dried under vacuum and molded by compression. In the molten state, the PEG/CNC nanocomposites exhibited a yield behavior and a percolation network from a low volume fraction of ~ 0.2vol % and 0.55vol % in PEG and PLA, respectively. This suggests a very good dispersion of CNCs in these thermoplastic matrices, in agreement with transmission electron microscopy observations. A comparaison of the relative elastic modulus and viscosity suggest a better dispersion state of CNCs in PEG. These rheological indices were compared to the thermodynamic predictions based on the Hansen solubility parameters, that may be drawn from the Teas graph of CNCs.

Mots clés

rhéologie – nanocristaux de cellulose (CNCs) – nanocomposites – polyéthylène glycol – polylactide – réseau de percolation – graphique de Teas – paramètres de solubilité d’Hansen (HSP).