La gélification et les transitions de phases dans les Biopolymères

Les Biopolymères

La chimie des polymères est née de la connaissance d’un biopolymère courant : la cellulose plus connue sous le nom de bois. Les biopolymères sont des polymères issus exclusivement d’organismes vivants ou des polymères synthétisés à partir de ressources renouvelables, ces polymères connaissent depuis quelques années un r éel essor du f ait de leurs origines biologiques et surtout de leur caractère biodégradable. Nous avons cinq types de biopolymères que nous pouvons regrouper en trois grandes classes différentes : Les polymères de synthèse : ce sont des polymères d’origine fossile Les polymères biodégradables : ce sont des polymères d’origine fossile auxquels est ajouté un additif qui permet de favoriser leur dégradabilité Biobased polymers : ce sont des polymères issus de la biomasse. Il en existe trois sortes : Les biopolymères issus de la faune et de la flore. Parmi ceux-ci nous avons les exemples de l’amidon, de la cellulose, des protéines etc. Les biopolymères produits par polymérisation chimique. Cette famille est essentiellement constituée des acides poly lactiques (PLA) Les biopolymères produits par des microorganismes génétiquement modifiés. Dans cette famille nous avons l’exemple des polyhydroxyalkanoates (PHA) Tableau récapitulatif Polymères synthétiques origine fossile Biobased polymers issus de la biomasse Polymères biodégradables origine fossile + additif Biopolymères issus de la faune et de la flore Exemple : amidon, cellulose, les protéines Biopolymères produits par polymérisation Exemple : PLA (acide poly lactique) Biopolymères produits par des microorganismes Exemple : PHA (polyhydroxy alkanoates) 

Synthèse

Les biopolymères sont synthétisés dans les plantes ou les animaux par voie enzymatiques et sont de ce fait dégradés rapidement dans un milieu biologique. Ils peuvent être obtenus par polymérisation de monomères naturels identiques ou différents.

Caractérisation

Il existe deux types de polymère : les homopolymères et les copolymères : •homopolymère Un homopolymère est un polymère dont tous les motifs de répétition sont identiques. Il existe différents types de d’homopolymères : les homopolymères linéaires, les homopolymères branchés, les homopolymères étoilés… •copolymère Un copolymère est un pol ymère issu de la copolymérisation d’au moins deux types de monomères. Le terme copolymère s’oppose à homopolymère. Il est possible d’observer au moins deux Tg. 

Les propriétés thermiques 

Les polymères peuvent être classés en deux types en fonction de leur comportement à l a chaleur : les thermoplastiques et les thermodurcissables. 

Thermoplastiques

Portés à une température suffisante (au-dessus de leur température de transition vitreuse Tg ou de fusion Tf) les polymères thermoplastiques se trouvent à l’état (état fluide ou déformable) et sont donc susceptibles de s’écouler sous l’action d’une contrainte, on passe par une étape plastique, puis liquide (liaisons physiques rompues). C’est le cas du polyéthylène, du polypropylène, des polyamides, de certains polyesters. L’avantage est que dans l’état fondu, on peut les mouler dans la forme que l’on veut. C’est un procédé industriel employé pour fabriquer des objets à la pièce en discontinu, les températures de fusion sont plus basses de l’ordre de 80 à 300°c, il existe des solvants parmi ces polymères. 

Thermodurcissables 

Ils durcissent de façon irréversible sous l’action de la chaleur et ou par ajout d’un réactif, les liaisons covalentes se développent dans les trois dimensions, ce sont des polymères tridimensionnels. On les met en forme lorsqu’ils sont encore dans leur état mou de la même manière que les thermoplastiques avant qu’ils ne durcissent sous l’effet de la chaleur et additifs chimiques qui induisent la réaction de polymérisation. Les matériaux thermodurcissables sont généralement plus résistants que les matériaux thermoplastiques. On leur reconnait une t rès bonne résistance diélectrique, mécanique, ainsi qu’aux produits chimiques (matériaux non réactifs) et à la chaleur. 

Les propriétés mécaniques 

Le comportement mécanique des polymères est caractérisé par une très grande diversité apparente. En effet, pour les mêmes conditions d’utilisation et d’un point de vue technologique, on peut trouver des polymères qui sont soit rigide, soit fragile, soit ductile, soit caoutchoutique. Ainsi dans la famille des polymères, on peut trouver un grand nombre de types de comportement : viscoélastique, viscoplastique, hyper élastique, durcissant, endomageable. Cette diversité se trouve pour un même polymère si l’on fait varier certaines de ses caractéristiques, ou simplement ses conditions d’utilisation. De manière générale les polymères thermodurcissables sont souvent rigides et fragiles tandis que les polymères thermoplastiques montrent une résistance mécanique médiocre très affectée par la température. 1.3.2. Les propriétés rhéologiques : La rhéologie est l’étude de la déformation et de l’écoulement de la matière sous l’effet d’une contrainte appliquée. Pour les polymères, elle dépend très fortement de la température. L’étude de la rhéologie des polymères met le plus souvent en évidence des combinaisons complexes d’effets élastiques et visqueux, c’est-à-dire un comportement viscoélastique plus ou moins marqué. Selon l’échelle des temps de l’essai, la composante élastique ou l a composante visqueuse du matériau domine. En effet pour une durée de sollicitation très courte, un polymère amorphe linéaire adopte un comportement élastique. A l’inverse, pour une durée d’application de la contrainte très longue, il a un c omportement visqueux avec possibilité d’écoulement. 

La gélification dans les biopolymères 

La gélification est une transition de phase, c’est un processus aboutissant à la formation d’un gel ̏ l’état de la matière est alors entre l’état liquide et l’état solide ̋, d’où sa consistance visqueuse et transparente. 

Mécanisme de gélification

Le mécanisme de gélification est très souvent favorisé par la présence de cations en solution qui interagissent avec les zones hydrophiles des chaines et forment des jonctions ioniques fortes. 

La gélification par l’intermédiaire d’hélices 

Les chaines polymériques s’associent entre elles en formant une double hélice piégeant ainsi l’eau au cœur de cet enchevêtrement. C’est le cas de la gélification des carraghénanes.

La gélification par entassement des chaines 

Les chaines polymériques s’associent entre elles en formant des rubans plissés qui s’entassent. Ce mécanisme nécessite à la fois la présence d’un cation en solution et d’une cavité entre les molécules qui permet de recueillir le cation. C’est le cas de la gélification des alginates : Les alginates peuvent former un gel qu’en présence des ions . Au début, les alginates sont des chaines éparpillées, en forme de pelotes, l’ajout des ions va débuter la gélification. Les ions s’incorporent dans les chaines de la molécule d’alginates et soudent les molécules. Ces chaines vont peu à peu s’entasser formant ainsi le gel (c’est la gélification par entassement des chaines, aussi appelée gélification par boite à œufs ).