Modifications du poly(butylène succinate) par voie mélange

Les propriétés mécaniques du poly(butylène succinate) s’apparentent à celles des polyoléfines mais présentent néanmoins quelques lacunes. Le principal défaut de ce polyester est son module d’Young assez faible, de l’ordre de 600 MPa, qui confère un manque de rigidité aux matériaux. L’objectif de ce chapitre consiste alors à améliorer les propriétés mécaniques du PBS. Pour augmenter sa rigidité, deux stratégies ont été employées : l’incorporation de charges et le mélange de polymères. L’incorporation de charges peut être une solution efficace, comme l’ont montré de nombreux auteurs [1-8]. Les charges couramment employées diffèrent suivant leur forme et donc leur facteur de forme (Figure 1). Le renforcement des propriétés mécaniques dépend considérablement de ces aspects. Le talc, qui se présente sous forme de plaquettes, est connu pour son caractère nucléant et rigidifiant. Cependant, d’une manière générale, il est difficile d’augmenter significativement le module d’un polymère tout en conservant un bon allongement à la rupture car l’interface polymère/charge est souvent faible. C’est pourquoi l’incorporation d’une charge ayant un effet moins renforçant, telle que le carbonate de calcium, peut parfois s’avérer intéressante pour augmenter modérément le module tout en conservant un bon allongement à la rupture. L’incorporation de charges dans le PBS peut également avoir un impact sur la dégradation hydrolytique du PBS, qui sera abordée dans ce chapitre.Les mélanges de polymères sont également très utilisés dans l’industrie et largement décrits dans la littérature dans le cadre de l’amélioration des propriétés mécaniques, dans la mesure où ils permettent d’obtenir des propriétés intermédiaires à chaque constituant du mélange. Nous nous sommes intéressés aux mélanges de polyesters, en particulier les mélanges avec le poly(acide lactique) (PLA) et le poly(butylène téréphtalate) (PBT), plus rigides que le PBS, car ils peuvent conduire à des réactions d’échanges qui vont modifier l’interface entre les deux polymères du mélange. Kotliar a récapitulé les réaction d’échanges qui peuvent avoir lieu au sein des polyesters et a mis en évidence trois mécanismes différents que sont les réactions intermoléculaires d’alcoolyse et d’acidolyse, et la transestérification [7]. Les transréactions dans les mélanges polyester-polyester dépendent de la miscibilité des constituants mais aussi des conditions de mélange, en particulier la température, le temps de mélange, le rapport de viscosités et la présence de catalyseurs ou d’inhibiteurs [8-11]. Différentes études seront réalisées pour détecter la présence de ces réactions d’échanges et quantifier la modification des propriétés mécaniques et thermomécaniques avec l’ajout d’un polyester dans le PBS. Enfin, l’étude de la dégradation hydrolytique des mélanges permettra de mettre en évidence l’impact de l’ajout d’un second matériau

Mélanges par incorporation de charges 

Matériaux étudiés et paramètres expérimentaux utilisés

 Cette partie s’est portée sur l’incorporation de deux charges différentes que sont le carbonate de calcium et le talc dans le PBS. Une étude préliminaire, présentée en Annexe 3, a permis de réaliser des tests sur deux carbonates de calcium ainsi que trois talcs différents. Les carbonates de calcium, le Millicarb® et l’Hydrocarb®75T ont été fournis par la société OMYA, et les talcs, le Luzenac A3, le Steamic® 00S F et le Luzenac HAR T84 ont été fournis par la société IMERYS. A l’issue de cette étude, le carbonate de calcium Hydrocarb 75T a été sélectionné. Il s’agit d’un carbonate de calcium naturel très fin, de grande pureté chimique et de grande blancheur. Il présente un caractère hydrophobe. Son action renforçante est modérée par rapport à celle du talc mais elle permet de conserver un bon allongement à la rupture, même à hauteur de 30% massiques. La deuxième charge sélectionnée est le talc Luzenac HAR T84. Il permet d’accroitre de façon importante le module des polymères mais entraine une diminution de l’allongement à la rupture. Il présente un caractère hydrophobe ainsi qu’une forme très lamellaire, deux critères qui le rendent intéressant pour la suite de l’étude, visant à limiter la dégradation hydrolytique du PBS. Le caractère amellaire du talc peut également permettre de limiter la perméabilité du PBS en augmentant la tortuosité. Les caractéristiques des deux charges sélectionnées sont présentées dans le Tableau 1. Le diamètre médian des particules est similaire pour les deux charges. Cependant la surface spécifique est 4 fois plus importante pour le talc que pour le carbonate de calcium.

Impact sur les propriétés thermiques 

Analyse thermogravimétrique

 Les analyses thermogravimétriques ont été réalisées sous air jusqu’à 580°C à une vitesse de chauffe de 10°C/min. Ces analyses permettent de révéler le profil de dégradation des matériaux mais aussi de déterminer le taux de charge réel présent dans le composite, qui correspond à la masse finale restante, non dégradée. Le profil des courbes obtenues (Figure 2) montre que la présence et le taux de charge ne modifient pas le profil de dégradation du PBS, quelle que soit la charge.

Analyse calorimétrique différentielle à balayage

 Les propriétés thermiques obtenues en DSC du PBS chargé avec différents taux massiques de carbonate de calcium sont présentées sur la Figure 3 et récapitulées dans le Tableau 3. Les essais ont été réalisés entre -80 et 150°C à une vitesse de chauffe et de refroidissement de 10°C/min. La deuxième montée en température et la descente ont été considérées pour évaluer l’impact de la charge sur les propriétés thermiques en effaçant l’historique thermique des échantillons. D’après les résultats obtenus, l’ajout de carbonate de calcium dans le PBS ne modifie pas ses propriétés thermiques et ne joue pas le rôle d’agent nucléant. En effet, le taux de cristallinité ainsi que la température de cristallisation ne sont pas augmentés significativement. Ces observations sont en accord avec celles de Kowalewski et Galeski qui ont démontré sur une étude de polypropylène PP chargé avec du carbonate que cette charge était un faible agent de nucléation, n’ayant pas d’effet significatif sur la cinétique de croissance des sphérolites.