Matériaux et techniques expérimentales

Dans le cadre de l’étude concernant le développement d’une matrice biodégradable pour application dans des composite à base de fibres de verre, plusieurs mélanges de matériaux sont testés. Dans un premier temps, les polymères constitutifs de ces mélanges sont présentés puis les différents additifs (agents de polycondensation et de réticulation sous rayonnements gamma, modifiants au choc, catalyseurs d’oxydation). L’ensemble de projet ayant pour but principal de produire des matériaux industrialisables à très court terme, nos recherches se concentrent sur des matériaux disponibles commercialement et dont les prix ne rendent pas le transfert à une échelle industrielle rédhibitoire. L’objectif n’est donc pas de développer de nouveaux polymères ou de réaliser des modifications chimiques lourdes sur des polymères existants, mais bien de proposer des solutions applicables et viables pour les partenaires du projet se situant plus en aval de nos développements. Ensuite, les essais ayant permis d’étudier les propriétés mécaniques des mélanges, ainsi que leurs caractéristiques microscopiques et chimiques seront détaillés. Le principe de chacun de ces essais ainsi que les conditions expérimentales utilisées sont détaillés. Ces grades de PLA sont choisis pour leur représentativité dans le domaine commercial. Dans le cas du PLA-U, ce dernier est en particulier célèbre pour son utilisation comme boîtier de téléphones portables ainsi que pour ses applications dans l’automobile (Unitika, 2010). Le PLA-NW en revanche, est rapporté pour des préparations de mélanges maîtres ou comme fibre synthétique de performance (NatureWorks, 2010). La PεCL étudiée (grade CAPA 6500) est fournie par la société Perstorp. Ce grade de PεCL est utilisé dans un grand nombre d’applications médicales (sutures bio- résorbables, système de libération contrôlée de médicaments …). Les caractéristiques de la PεCL sont données dans le Tableau II.1.

Le poly-butylène-succinate

Le poly-butylène-succinate utilisé dans cette étude est le GS Pla AZ, un grade commercial de la société Mitsubishi Chemical Corporation. En fait, il s’agit d’un copolymère contenant également quelques unités d’un troisième monomère, l’acide lactique, à hauteur de 3 % en mole, ce qui justifie que certains auteurs l’appellent le PBSL. Toutefois, il sera noté PBS dans le manuscrit. Ce grade est utilisé dans un grand nombre d’applications commerciales comme l’emballage alimentaire, les cartes imprimées, les films, les étiquettes, des pièces plastiques diverses pour l’immobilier. Les caractéristiques du PBS sont données dans le Tableau II.1. Récemment, une large littérature s’est intéressée à la compatibilisation de mélanges polymères à l’aide d’agents de polycondensation. Parmi ces approches, l’utilisation de molécules di- ou multi-fonctionnelles est la plus utilisée. Ces réactions conduisent au branchement de groupes fonctionnels réactifs en bout de chaîne permettant à ces dernières de réagir entre elles. Les groupements di-fonctionnels (hydroxyle, acide carboxylique, anhydride, amine, et époxy) connaissent un réel engouement et sont déjà rapportés dans la littérature. Cependant, leur utilisation nécessite régulièrement des conditions drastiques (vide, ou gaz neutre, grande quantité, température, catalyseur …) (Bikiaris, 1996) afin d’augmenter les taux de rendement. Afin de répondre aux préoccupations écologiques soulevées par les conditions d’utilisation précitées, cette étude teste des molécules multifonctionnelles (fonctionnalité supérieure à 3) susceptibles d’augmenter la probabilité de réaction et donc l’efficacité recherchée. Cependant, il faut remarquer que, de façon générale, les allongeurs de chaîne et les compatibilisants multifonctionnels ont rencontré assez peu de succès jusqu’à présent à cause de leur faible fenêtre de processabilité (transition entre allongement de chaîne et réticulation difficilement contrôlable). Un certain nombre de composés multifonctionnels sont disponibles sur le marché (Dhavalikar, 2001).

 R6 est un groupement alkyle et x, y et z sont compris entre 1 et 20. Utilisé dans les applications de recyclage de polyester, le SMGA est typiquement incorporé à des taux assez faibles, de 0,1 à 0,2 % en masse pour réaliser des allongements de chaîne (1 % en masse pour réaliser des branchements). Par ailleurs, il faut savoir que les fonctions méthacrylate de glycydile réagissent préférentiellement avec des fonctions acides aliphatiques, qu’avec des fonctions alcool aliphatique (facteur 10 en moyenne) (Vollhardt, 2004). Le PMAH est un copolymère ayant un ratio-molaire de 1:1 en octadécène et anhydride maléique, fourni par Aldrich. La structure chimique et les principales propriétés sont données dans le Tableau II.2. Ce dernier est rapporté dans plusieurs études intégrant du PLA et des polymères dendritiques (Bhardwaj, 2007). Les groupements anhydrides sont susceptibles de réagir avec les extrémités hydroxydes des polyesters. Le TAIC, dont la structure chimique et les principales propriétés sont données dans le Tableau II.2, a également été fourni par la société Aldrich. C’est un monomère couramment utilisé pour les réactions de réticulation sous irradiation gamma dans l’industrie des modifications post-mise en forme. Quand le polymère est soumis à des fortes doses d’irradiation (rayons gamma par exemple) il est susceptible de former des intermédiaires radicalaires réactifs qui peuvent alors conduire à la formation de nouvelles liaisons. Le principe est résumé dans le paragraphe 3.5 de ce chapitre. Dans cette étude, l’objectif est d’obtenir un effet réticulant pour diminuer la perméabilité de l’eau dans la matrice PLA, ainsi qu’un effet compatibilisant pour des mélanges à base de PLA étudiés par ailleurs. Le TAIC est directement introduit et dispersé au sein du polymère durant la phase d’extrusion, à l’aide d’un pousse-seringue chauffé à 35 °C afin de diminuer la viscosité du TAIC. L’irradiation se produit après extrusion (avant ou après mise en forme par moulage par injection).