Upscaling Surface Treatments on Polylactic Acid (PLA) Exclusion Nets for Sustainable Agriculture

Ce mémoire explore la mise à l'échelle du traitement hydrophobe sur des filets d'exclusion en acide polylactique (PLA), qui offrent une alternative durable aux pesticides et aux filets en polyéthylène à base de pétrole utilisés dans l'agriculture. Les filets en PLA sont attrayants en raison de leur nature biosourcée et compostable, mais leur hydrophilie pose des défis pour les applications extérieures, entraînant une dégradation plus rapide en favorisant les croissances bactériennes et fongiques sur les cultures. Un processus de cristallisation induite par solvant en deux étapes, appelé Dip-Dip-Dry (DDD), a été développé dans notre laboratoire pour conférer des propriétés quasi-superhydrophobes au PLA en créant une surface rugueuse qui repousse l'eau. Le traitement DDD fonctionne en deux étapes sur du PLA amorphe. Le polymère est trempé dans un solvant déliant les chaînes en surface puis plongé dans un bain de coagulant pour créer un repliement de ces chaines et les figer. Dans le cas d’un matériau cristallin, une préchauffe est nécessaire pour donner de la mobilité aux chaines et faciliter l’action du solvant en surface. La mise à l'échelle de ce traitement sur les fils de PLA a présenté des défis en raison de la mobilité limitée des chaînes provoquée par la tension appliquée pendant le processus bobine-à-bobine, ce qui a entravé la formation de la rugosité de surface. Diverses stratégies ont été explorées, notamment l'introduction d’une longueur additionnelle de fil pour donner du jeu dans le montage et permettre la réorganisation des chaînes lors du préchauffage, assurant ainsi la texturation de la surface. Il a été constaté que la température de préchauffage et la longueur supplémentaire du fil influençaient la création de la morphologie de surface. Une augmentation du rétrécissement et de la rugosité de surface se produit au-dessus d'une température critique (environ 125 °C pour le fil multifilament et 140 °C pour le fil monofilament), identifiée entre les points de recristallisation et de fusion. Cette augmentation du rétrécissement est linéairement dépendante de la longueur additionnelle donnée. Lors de la caractérisation manuelle de la longueur supplémentaire, il a été montré qu’avoir en entrée le double de la longueur en sortie permettait d’avoir une surface texturée tout en conservant des propriétés mécaniques acceptables. Les essais sur le setup en continu ont montré que les paramètres devaient être ajustée et contrôlés précisément pour éviter les ruptures de fil. Enfin, d’autres recommandations pour la mise à l'échelle du processus et d'autres procédés ont été discutés pour produire commercialement des filets de PLA hydrophobes.

Abstract

This report explores the upscaling of hydrophobic treatment on polylactic acid (PLA) exclusion nets, which offer a sustainable alternative to pesticides and petroleum-based polyethylene nets used in agriculture to repel pests. PLA nets are desirable due to their biobased and compostable nature, but their hydrophilicity presents challenges for outdoor applications, leading to faster degradation and promoting bacterial growth on crops. A two-step solvent-induced crystallization process, known as Dip-Dip-Dry (DDD), was developed in our lab to impart hydrophobicity to PLA by creating a rough surface that repels water. The polymer is dipped in the solvent to slightly dissolve the surface and free some chains. Then, the polymer is dipped in a nonsolvent, which will cause polymer chains to shrivel and form recrystallized structure. In the case of crystalline samples, difficulties were encountered when trying to free some chains at the surface. A preheating step was necessary to form DDD microstructure. Similarly, upscaling the DDD treatment for yarns introduced challenges due to the limited chain mobility caused by applied tension during the process, orienting the polymer chains and hindering surface roughness formation. Various strategies were explored, including introducing slack to enable chain reorganization, thereby improving the treatment’s effectiveness. It was found that both preheating temperature and extra length of yarn influenced the surface texturation. Shrinkage was increased alongside surface texturation above a critical temperature (approximately 125 °C for multifilament yarn and 140 °C for monofilament yarn), which was identified between the recrystallization and melting points. Manual studies of the additional length provided at the entry of the treatment have shown that doubling the length at the exit of the treatment is sufficient to form surface texturation while preserving adequate mechanical properties. The study concludes with guidelines for upscaling the process and other potential ways to upscale treatment.