Development of Polylactide-Clay Nanocomposites for Food Packaging Applications

L'acide polylactique, abrégé PLA, est un polymère biodégradable, provenant de sources renouvelables, avec une structure semi-cristalline ou amorphe. Bien que ces caractéristiques fassent du PLA un candidat approprié à l'emballage alimentaire, il y a cependant quelques problématiques importantes qui devraient être surmontées comme la faible stabilité thermique, la résistance mécanique faible et des propriétés barrière au gaz limitées. En s'appuyant sur les résultats énoncés dans la littérature, l'ajout de charges (argiles) de taille nanométrique peut améliorer les propriétés mécaniques et barrières de manière significative à condition qu'elles soient bien dispersées dans la matrice et forment une structure exfoliée. D'autre part, ce travail montre que l'incorporation d'argile organique modifiée dans le PLA augmente la vitesse de dégradation et alors, diminue manifestement la stabilité thermique des nanocomposites obtenus. Donc, le contrôle de la dégradation thermique du PLA est un autre défi dans le développement des nanocomposites PLA/argile. Dans la première partie du projet de maîtrise, des nanocomposites PLA/argile contenant différents allongeurs de chaîne ont été préparés. Le polycarbodiimide (PCDI), le tris (nonylphenyl) phosphite (TNPP) et le Joncryl ® ADR 4368 ont été utilisés comme allongeurs de chaîne dans ce travail. L'effet de l'incorporation des allongeurs de chaîne sur le contrôle de la dégradation thermique, sur les propriétés rhéologiques et thermo-physiques et sur la structure moléculaire a été examiné. Les résultats ont révélé que l'incorporation de PCDI (2 % en poids), TNPP (1 % en poids), ou Joncryl (1 % en poids) avait un profond effet sur la dégradation. De telles concentrations ont non seulement stabilisé la viscosité et le module avec le temps, mais ont aussi augmenté leurs valeurs. Le mécanisme de stabilisation est fort probablement l'extension des chaînes. L'extension des chaînes a conduit à la formation de chaînes linéaires plus longues dans les nanocomposites à base de PCDI et de TNPP, et à une structure de longues chaînes ramifiées (LCB) dans les nanocomposites à base de Joncryl. L'analyse thermogravimétrique (TGA) a révélé que l'ajout d'argile dans le PLA a diminué sa stabilité thermique, tandis qu'une augmentation de la température de début de dégradation a été observée après l'incorporation des allongeurs de chaîne. Le Joncryl est finalement l'allongeur de chaîne le plus efficace dans les conditions de mise en forme parmi ceux utilisés dans cette étude. vi Dans la deuxième partie du projet, des nanocomposites à base de Joncryl ont été préparés en utilisant différentes stratégies. L'effet de l'allongeur de chaîne et des conditions de mise en forme sur le degré de dispersion de l'argile, sur les propriétés barrières et mécaniques des nanocomposites obtenus ont été examinés. Les nanocomposites à base de Joncryl ont été préparés selon cinq stratégies différentes et comparées à un nanocomposite de référence. L'incorporation de 2 % en poids de Cloisite®30B (nano argile) et de 1 % en poids de Joncryl dans la matrice de PLA a conduit à une réduction significative de la perméabilité à l'oxygène et à l'amélioration des propriétés mécaniques comme le module en traction, l'allongement à la rupture et la ténacité des nanocomposites de PLA préparés selon la deuxième stratégie basée sur un mélange-maître de PLA/argile.

Abstract

Poly (lactic acid), abbreviated PLA, is a biodegradable polymer, made from renewable sources, with either a semi-crystalline or amorphous structure. Although these features make PLA an appropriate candidate for food packaging there are, however, some important issues that should be overcome such as poor thermal stability, low mechanical resistance, and limited gas barrier properties. Based on results reported in the literature, the addition of nano-sized fillers (clays) can efficiently improve the mechanical and barrier properties provided that they are well dispersed in the matrix and form an exfoliated structure. On the other hand, this work shows that the incorporation of organically modified clay into PLA enhances the rate of degradation and hence markedly decreases the thermal stability of the resulting nanocomposites. Therefore, control of PLA thermal degradation is another challenge in developing PLA-clay nanocomposites. In the first step of this Master's project, PLA-clay nanocomposites containing different chain extenders were prepared. Polycarbodiimide (PCDI), tris (nonylphenyl) phosphite (TNPP), and Joncryl ®ADR 4368 were used as chain extenders in this work. The effect of incorporating chain extenders on controlling the thermal degradation, the rheological and thermo-physical properties and the molecular structure has been investigated. The results revealed that the incorporation of PCDI (2 wt. %), TNPP (1 wt. %), or Joncryl (1 wt. %) had a profound effect on controlling the degradation. Such concentrations not only stabilized the viscosity and modulus with time but also increased their magnitudes in some cases. The mechanism of stabilization is most likely chain extension. The chain extension led to the formation of longer linear chains in the PCDI and TNPP based nanocomposites, and to a long chain branched (LCB) structure in Joncryl-based nanocomposites. Thermal gravimetric analysis (TGA) revealed that the addition of clay into PLA decreased its thermal stability, whereas an increase in the temperature for the onset of degradation was observed after the incorporation of the chain extenders. Joncryl was found as the most efficient chain extender under processing conditions among the ones used in this study. In the second part of this project, Joncryl-based nanocomposites were prepared using different strategies. The effect of chain extender and processing conditions on the degree of clay dispersion, mechanical, and barrier properties of the resulting nanocomposites were investigated. viii The Joncryl-based nanocomposites were prepared using five different strategies, and compared to a benchmark nanocomposite. Incorporating 2 wt. % Cloisite®30B (nanoclay) and 1 wt. % Joncryl into the PLA matrix led to a significant reduction in oxygen permeability and improvement of the mechanical properties such as tensile modulus, strain at break and toughness of PLA nanocomposites prepared by the second strategy based on the master batch of PLA/clay.