Morphology and Properties of Poly(Ethylene Terephthalate)/Clay Nanocomposites

Le polyéthylène téréphtalate (PET), un thermoplastique semi-cristallin, est produit par une réaction de condensation soit du téréphtalate de diméthyle soit de l'acide téréphtalique et de l'éthylène glycol. Le PET est habituellement utilisé dans l'industrie de l'emballage des aliments et boissons. Toutefois le PET ne permet pas d'avoir des propriétés barrières à l'oxygène suffisantes pour l'emballage des breuvages telles que la bière et les boissons gazeuses non alcoolisées qui sont sensibles à l'oxygène ou à la perte de dioxyde de carbone. L'incorporation de silicates en feuillets imperméables à une matrice de PET et la fabrication de nanocomposites à base de PET est une méthode prometteuse en vue de l'amélioration des propriétés barrières du PET. L'objectif de la présente étude est d'améliorer les propriétés barrières du PET avec des silicates en nanocouches. Les nanocomposites à base de PET et d'argile ont été préparés par un mélange à l'état fondu. Par rapport au mélange en solution et la polymérisation in-situ, le mélange à l'état fondu a des avantages environnementaux et économiques car l'utilisation de solvants organiques n'est pas nécessaire. De plus, cette technique entraîne des forces de cisaillement élevées ce qui améliore le niveau d'exfoliation des particules d'argile dans la matrice. Afin de créer un long chemin tortueux et une diffusion ralentie des molécules de gaz à travers le nanocomposite, les particules d'argile doivent être bien dispersées et distribuées dans la matrice. Par conséquent, une attention particulière est apportée à l'amélioration du niveau d'exfoliation des silicates stratifiés dans la matrice de PET. À cet égard deux types différents d'argiles organomodifiées, le Cloisite® 30B (C30B) et le Nanomer® I.28E (N28E), ont été mélangées avec le PET. Des films de nanocomposite à base de PET ont été préparés par extrusion. Un PET ionomère a été utilisé afin d'augmenter la compatibilisation et l'espacement entre les couches des particules d'argile. Il a été observé que mélanger un PET et un PET ionomère entraîne la formation d'un mélange immiscible. Des interactions favorables entre les particules d'argile et le PET ionomère localise les particules d'argile dans les domaines composés du PET ionomère et restreint la distribution des particules. Néanmoins, les études morphologiques et rhéologiques montrent que le PET ionomère agit comme un agent exfoliant et accroit l'espacement des nanofeuillets de vi l'argile N28E. L'incorporation de 2 % en masse de C30B dans la matrice de PET entraîne l'amélioration de 25 % des propriétés barrières à l'oxygène. Les effets des conditions de mise en oeuvre, de la composition de l'argile, et de la concentration des argiles sur les propriétés morphologiques et rhéologiques des nanocomposites de PET et argile ont été examinés dans la seconde partie de cette étude. Différents organo-argiles comme le N28E, C30B, Cloisite 25A (C25A), et Cloisite 15A (C15A) aussi bien qu'un argile non-modifié synthétique Somasif ME100 (SM100) ont été mélangés avec le PET en utilisant une extrudeuse double vis. Les résultats morphologiques et rhéologiques montrent que l'augmentation du temps de résidence et un nombre plus grand d'éléments de cisaillement améliorent la dispersion des argiles et les propriétés viscoélastiques. Alors que le PET seul présente une viscosité non-dépendante de la fréquence, la viscosité complexe des nanocomposites montre un comportement rhéofluidifiant qui devient plus prononcé quand la quantité d'argile augmente. Le module de conservation est presque indépendant de la fréquence aux basses fréquences pour les chargements élevés d'argile, due à la formation d'un réseau interconnecté des particules d'argile. Des propriétés rhéologiques plus élevées ont été observées pour les nanocomposites les plus intercalés/exfoliés. La dégradation de la matrice de PET, due à la présence des organo-argiles, a été quantifiée en utilisant l'équation de Maron-Pierce. Parmi les organo-argiles étudiés dans ce travail, la dégradation la plus importante a eu lieu pour la matrice contenant du C30B. Pour contrôler la dégradation thermique du PET et pour améliorer les propriétés des nanocomposites à base de PET, dans la dernière partie de cette recherche, un agent d'allongement de chaînes multifonctionnel à base de résine d'époxy, le Joncryl ADR-4368F (Joncryl), a été ajouté aux nanocomposites via un lot primaire. L'effet de l'agent d'allongement de chaînes sur les propriétés morphologiques, rhéologiques, mécaniques, thermiques, optiques, et sur les propriétés barrières aux gaz a été examiné sur le nanocomposite contenant 4 % en masse de C30B et de N28E. Grâce aux réactions entre les groupes fonctionnels de l'agent d'allongement de chaînes et les groupes terminaux du PET, les propriétés viscoélastiques des échantillons contenant du Joncryl ont été augmentées. Des contraintes de cisaillement plus élevées, dues à la présence de l'agent, entraînent une exfoliation plus élevée et par conséquent des propriétés mécaniques et barrières plus élevées. Une réduction de 46 % de la perméabilité à l'oxygène a été obtenue pour les films nanocomposites contenant du C30B et du Joncryl en comparaison aux films de PET pur. vii La réduction pour les nanocomposites contenant du N28E et du Joncryl était de 40 %. Les nanocomposites contenant du N28E et du Joncryl contenant du C30B et du Joncryl l'augmentation était légèrement moindre.

Abstract

Polyethylene terephthalate (PET), a semi-crystalline thermoplastic, is produced by condensation reaction of either dimethyl terephthalate or terephthalic acid with ethylene glycol. PET is commonly used in food and beverage packaging industry. However, PET does not offer sufficient oxygen barrier properties in packaging of beverages such as beer and carbonated soft drinks that are sensitive to oxygen and loss of carbon dioxide. Incorporation of impermeable layered silicates into a PET matrix and manufacturing of PET nanocomposites is a promising method to enhance barrier properties of PET. The aim of the present study is to improve barrier properties of PET with silicate nanolayers. PET clay nanocomposites were prepared via a melt blending approach. In comparison to solution blending and in-situ polymerization, melt blending has environmental and cost advantageous because there is no need for organic solvents. Besides, this technique provides high shear forces that improve the exfoliation level of clay particles in the matrix. To create a long tortuous pathway and slow down the diffusion of gas molecules through the nanocomposite, clay particles must be well dispersed and distributed in the matrix. Hence, a particular attention is paid to the improvement of exfoliation level of silicate layers in the PET matrix. In this regard two different types of organomodified clay, Cloisite® 30B (C30B) and Nanomer® I.28E (N28E), were melt blended with PET. PET-based nanocomposite films were prepared using cast film extrusion. A PET-ionomer was employed to compatibilize and increase the interlayer spacing of the clay particles. It was observed that mixing of PET and PET-ionomer results in an immiscible blend. Favorable interactions between the clay particles and the PET-ionomer localize the clay particles into the PET-ionomer domains and restrict the distribution of the particles. Nevertheless, morphological and rheological studies show that PET-ionomer acts as an exfoliation agent and increases the gallery spacing of N28E nanolayers. Incorporating 2 wt% C30B into PET matrix led to 25% enhancement in oxygen barrier properties. The effects of processing conditions, clay chemistry, and concentration on the morphological and rheological properties of PET clay nanocomposites were investigated in the second part of this study. Various organoclays such as N28E, C30B, Cloisite® 25A (C25A), and Cloisite® 15A (C15A) as well as unmodified synthetic clay Somasif® ME100 (SM100) were melt blended with PET using a twin-screw extruder. Morphological and rheological results show that a longer ix residence time and more shearing elements improve the dispersion of clay tactoids and enhance the viscoelastic properties. While the neat PET exhibits a frequency independent viscosity, the complex viscosity of the nanocomposites shows a shear-thinning behavior, which becomes stronger with clay loading. The storage modulus was nearly independent of frequency at low frequencies and high clay loadings, due to the formation of an interconnected network of clay particles. Larger rheological properties were observed for the most intercalated/exfoliated nanocomposites. The PET matrix degradation, due to the presence of the organoclays, was estimated using the Maron-Pierce equation. The highest degradation occurred for the matrix containing C30B among the organoclays studied in this work. To control the thermal degradation of PET and improve the overall properties of PET nanocomposites, in the last phase of this research a multifunctional epoxy-based chain extender, Joncryl® ADR-4368F (Joncryl), was added to the nanocomposites via a master-batch approach. The effect of the chain extender on the morphological, rheological, mechanical, thermal, optical, and gas barrier characteristics of the nanocomposites containing 4 wt% C30B and N28E was examined. The viscoelastic properties of the samples containing Joncryl increased due to the reaction between functional groups of the chain extender and PET end groups. Higher shear stress induced by the presence of the chain extender resulted in higher exfoliation level and consequently better mechanical and barrier properties. A 46% reduction in oxygen permeability was obtained for the PET nanocomposites containing C30B and Joncryl, in comparison to the neat PET films. The corresponding reduction for the nanocomposites containing N28E and Joncryl was 40%. Nanocomposites containing N28E and Joncryl exhibited a 66% improvement in tensile modulus, whereas the corresponding improvement for the nanocomposites containing C30B and Joncryl was slightly less.