Nano-biocomposites : études de systèmes structurés à base de polyhydroxyalcanoates et montmorillonites

Nano-biocomposites : Study of structured systems based on polyhydroxyalkanoates and montmorillonites

• Auteur / Autrice : Perrine Bordes
• Direction : Luc Averous
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure

Biopolymères

Argile

Composites polymères

Nanobiotechnologie

Nanotechnologie

Résumé

Les polyhydroxyalcanoates (PHAs) étudiés sont des polyesters biodégradables et biocompatibles synthétisés par fermentation bactérienne de produits dérivés de la canne à sucre. Ces biopolymères présentent notamment une bonne rigidité et un taux de cristallinité très important. Cependant, leur comportement mécanique fragile et leur faible stabilité thermique limitent encore leur développement. L’élaboration de nano-biocomposites, i. E. L’incorporation et la dispersion de charges de taille nanométrique telles que les montmorillonites dans la matrice PHA vise donc à pallier ces déficiences. L’analyse des relations “procédé-structure-propriétés” ont montré que les facteurs clés contrôlant l’élaboration de ces matériaux nanostructurés sont l’affinité polymère-argile, le taux de charge et la voie d’élaboration (voie ''solvant'' vs. ''fondu''). Par ailleurs, une étude spécifique a montré que les organomodifiants utilisés pour compatibiliser le polymère et la charge, et dans une moindre mesure, les résidus de fermentation, affectent la stabilité thermique et thermomécanique des PHAs. Différentes approches (enrobage des feuillets d’argile par greffage de biopolyester, redispersion de masterbatch…) ont donc été explorées afin de limiter la dégradation de la matrice mais également d’améliorer la dispersion de la charge et de mieux compatibiliser la charge et la matrice. Ces études ont montré que la dispersion directe d’un faible taux de Cloisite®30B (< 3%pds) dans le PHA à l’état fondu présente le meilleur compromis en terme de dégradation limitée, de qualité de dispersion et donc de propriétés du matériau final.

Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are biodegradable and biocompatible polyesters produced from renewable resources by bacterial fermentation. These biopolymers are stiff and highly crystalline. Nevertheless, they are not fully competitive compared to conventional polymers since they exhibit brittleness and poor thermal stability. Therefore, to improve their properties, PHA-based nano-biocomposites were prepared by adding nano-sized fillers such as montmorillonites (a clay layered silicate). The process-structure-properties relationships have been investigated. They have shown that the polymer-clay affinity, the filler content and the elaboration route (solvent vs. Melt intercalation) are key factors for elaboration of these nanostructured materials. Moreover, a specific study evidenced that organomodifiers used as polymer-clay compatibilizers and, in a less extent, the fermentation residues affect the thermal and thermo-mechanical PHAs stability. Different approaches (biopolyester grafting on the clay surface, masterbatch route, ) were thus considered to limit the matrix degradation, but also to improve the clay nanodispersion and the polymer-clay affinity. This work has revealed that melt mixing of less than 3 wt% of Cloisite®30B with PHA leads to better results in terms of limited degradation, clay dispersion and thus properties of the final material.