Développement d'un nouveau matériau composite thermoplastique polyuréthane écoresponsable

Le Canada vise à la carboneutralité d’ici 2050. La société doit donc prendre en compte qu’un changement majeur au niveau de la consommation et donc la capacité à produire doit rapidement être revue sur toutes les sphères. Presque la totalité des produits plastiques utilisés aujourd’hui sont à base de combustible fossile, une ressource en voie de disparition et très polluante. Le temps est arrivé pour le remplacer par des produits plus respectueux de l’environnement, comme ceux à base de plantes, dits bio-sourcés. De nombreux produits agricoles et forestiers répondent bien à cet impératif, tels que le palmier, les algues, l’amidon, les déchets agricoles ou encore le maïs et le soja, deux grains hautement utilisés de nos jours. Cette recherche vise l’étude des matériaux à partir de ces deux grains. 460 millions de tonnes de plastiques sont produits annuellement à l’échelle mondiale, et parmi eux le polyuréthane est dans les premiers rangs. Ce polymère, utilisé dans les literies, les emballages, l’isolation, les chaussures, les roues, les vêtements, le médical ou encore l’automobile, pour ne citer que quelques exemples, se décline sous 3 formes : une mousse, un thermodurcissable ou un thermoplastique. Ce dernier a la capacité d’être recyclé facilement car, en le chauffant, il se ramolli et une nouvelle forme peut lui être donnée. Ce projet a pour objectif de développer une formulation de polyuréthane thermoplastique (TPU) biosourcé pour applications industrielles pour l’impression 3D. Cette recherche a été réalisée en collaboration avec l’Institut Technologique de Buenos Aires ayant une grande expertise dans le domaine. Ce matériau est composé d’un polyol d’huile de maïs, d’un isocyanate aromatique, d’un allongeur de chaîne à base d’huile de maïs, de glycérine végétal, d’un polyol à base d’huile de soja et d’un catalyseur. Au total, 8 formulations sont développées en faisant varier 4 facteurs : le taux de glycérine, le taux de polyol de soja et la post-cuisson. Le bio-TPU développé a été micro-caractérisé en calorimétrie différentielle à balayage et en spectroscopie infrarouge par transformée de Fourier, et macro-caractérisé, avec des essais de flexion 3 points en analyse mécanique dynamique et des essais de traction et les essais de dureté Shore D. Les bio-TPUs ont un pourcentage biosourcé variant de 50 à 65%, un pourcentage de segments rigides variant entre 45 et 58%, avec des duretés Shore D entre 20 et 50. La température de fusion des segments rigides est en moyenne de 163°C avec une température de transition vitreuse avoisinant en moyenne les 92°C. Ils présentent une structure semi-cristalline, bien que la température de cristallisation des segments rigides soit absente en raison de l’asymétrie de la structure moléculaire de l’isocyanate. L’ajout de 2,50% wt. de glycérine rigidifie le polyuréthane thermoplastique en créant des liaisons covalentes hydrogène dans le domaine des segments rigides, augmentant ainsi la contrainte ultime à la traction de +70%, diminuant l’élongation à la rupture de -29%, augmentent la température de fusion de +5% et la température de transition vitreuse de +13%, comparativement à une formulation sans glycérine.

Abstract

Canada is aiming for carbon neutrality by 2050. Society must therefore take into account that a major change in consumption and therefore production capacity must rapidly be reviewed in all spheres. Almost all plastic products in use today are based on fossil fuels, a resource that is becoming extinct and highly polluting. The time has come to replace them with more environmentally-friendly products, such as plant-based bio-sourced products. Many agricultural and forestry products are well suited to this imperative, such as palm, algae, starch, agricultural waste or even corn and soya, two highly-used grains today. The aim of this research is to study materials based on these two grains. 460 million tons of plastics are produced worldwide every year, and polyurethane is at the top of the list. This polymer, used in bedding, packaging, insulation, footwear, wheels, clothing, medical and automotive applications, to name but a few, comes in 3 forms: a foam, a thermoset or a thermoplastic. The latter can be easily recycled, as heating softens it and gives it a new shape. The aim of this project was to develop a biosourced thermoplastic polyurethane (TPU) formulation for industrial applications in 3D printing. The research was carried out in collaboration with the Instituto Tecnológico de Buenos Aires, which has extensive expertise in the field. The material consists of a corn oil polyol, an aromatic isocyanate, a corn oil chain extender, vegetable glycerin, a soy oil polyol and a catalyst. A total of 8 formulations were developed, varying 4 factors: glycerin content, isocyanate index, soy polyol content and post-cure. The bio-TPU developed was micro-characterized in differential scanning calorimetry and in Fourier transform infrared spectroscopy, and macro-characterized, with dynamic mechanical analysis 3-point bending tests, tensile tests and Shore D hardness testing. Bio-TPUs have a biobased percentage ranging from 50 to 65%, a percentage of rigid segments varying between 45 and 58%, with Shore D hardnesses between 20 and 50. The melting temperature of the rigid segments averages 163°C, with a glass transition temperature averaging around 92°C. They have a semi-crystalline structure, although the crystallization temperature of the rigid segments is absent due to the asymmetry of the isocyanate's molecular structure. The addition of 2.50% wt. glycerin stiffens TPU by creating covalent hydrogen bonds in the domain of the rigid segments, thereby increasing ultimate tensile stress by +77%, decreasing elongation at break by -29%, increasing the melting temperature by +5% and the glass transition temperature by +13%, compared to a formulation without glycerin. The isocyanate index varies the proportion of rigid segments and reveals that an excess of isocyanate makes the material resistant, not very elastic and more difficult to melt, while an excess of polyol is expressed by a lack of covalent bonds, resulting in very poor thermo-chemical-mechanical properties; an isocyanate index equal to 1 balances all properties at best.