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.