Développement de biocomposites à base de Poly(Acide Lactique) et de balles céréalières : vieillissement des biocomposites et traitement de surface des balles

Development of biocomposites based on Poly(Lactic Acid) and cereals husks : aging of biocomposites and surface treatments of husks

• Auteur / Autrice : Thi Phuong Thao Tran
• Direction : Jean-Charles Bénézet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 16/07/2013
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre des Matériaux de Grande Diffusion (Alès)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Rouau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Charles Bénézet, Xavier Rouau, Xavier Colin, Julien Bras, Johnny Beaugrand, Anne Bergeret
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Xavier Colin, Julien Bras

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éco-matériaux

Riz -- Balle

Composites

Mots clés libres

Ecomateriaux

Poly(Acide Lactique)

Balle de riz

Balle de petit épeautre

Traitement surface

Vieillissement

Ecomaterial

Poly(Lactic Acid)

Rice husk

Wheat husk

Surface treatment

Ageing

Résumé

Les balles de céréales, à savoir l'enveloppe autour du grain, ont récemment retenu l'attention des scientifiques afin d'entrer dans la formulation de biocomposites. En effet, ces sous-produits de l'agriculture ont un coût négligeable, sont perpétuellement renouvelables et disponibles en volume important dans le Monde et leur fin de vie est assurée par leur biodégradabilité. Leurs compositions chimiques et leurs propriétés thermiques et mécaniques sont similaires à celles des fibres naturelles.Dans cette thèse, deux types de balles de riz et deux types de balles de Petit Epeautre ont été étudiées à travers leur microstructure, leur composition chimique, leurs propriétés mécaniques et thermiques. Les balles ont été incorporées dans une matrice bio-sourcée et biodégradable, à savoir le poly(acide lactique) (PLA) pour donner des biocomposites dont les propriétés d'usage ont été étudiées. Il apparaît que les balles céréalières peuvent devenir un candidat potentiel intéressant pour le renforcement du PLA moyennant une amélioration de l'adhésion à l'interface entre les balles et le PLA.Afin d'améliorer cette interface, les balles ont été traitées par une solution alcaline (NaOH) et par des agents de couplage de type organosilane (3-aminopropyltriéthoxysilane et 3- glycidoxypropyltrimethoxysilane). Le traitement alcalin a permis de retirer une grande partie des hémicelluloses, de la lignine, de la cire et de la silice présentes dans les balles. La dissolution de ces constituants a provoqué une plus forte hygroscopicité des balles et se traduit par de plus faibles propriétés mécaniques des biocomposites. Le couplage traitement alcalin/traitement silane semble apporter une amélioration des performances plus importantes que le traitement silane seul. Ce traitement de surface a davantage d'impact sur la balle de Petit Epeautre que sur la balle de riz.L'évolution des propriétés d'usage des biocomposites à base de balles de riz au cours de différents vieillissements (thermique, hydro-thermique, cyclages hygro-thermiques, UV) a été étudiée. Les résultats montrent que l'évolution microstructurale induite par les vieillissements influence significativement les propriétés des biocomposites. La dégradation des biocomposites se traduit par une diminution de la masse moléculaire moyenne du PLA. La réorganisation de ces macromolécules augmente sensiblement le taux de cristallinité du matériau. Ceci induit un changement de la couleur, de la stabilité dimensionnelle des pièces et des propriétés mécaniques du PLA et des biocomposites qui dépend essentiellement de la température de vieillissement par rapport à la température de transition vitreuse du PLA. Il apparaît que l'ajout de balles accélère la dégradation du PLA. Dans le cas d'un vieillissement hydro-thermique au-dessus de la température de transition vitreuse du PLA, une réduction de cette dégradation a été mise en évidence par l'utilisation de certains traitements de surface des balles.

The cereal husks, namely the envelope around the grain, have recently attracted the attention of scientists for biocomposites development, because they are low-cost, renewable, biodegradable, and available in abundant volume throughout the world. Their chemical composition and their thermal and mechanical properties are similar to the natural fibers.In this work, two types of rice husk and two types of Einkorn wheat husk were studied through their microstructure, chemical composition, mechanical and thermal properties. The husks have been incorporated into a bio-sourced and biodegradable matrix, namely poly (lactic acid) (PLA) to produce biocomposite which functional properties were studied. It appears that the husks can be good candidates for strengthening the PLA through improved adhesion at the interface between the husks and the PLA.To improve the husks/PLA interface, the husks were treated with an alkaline solution (NaOH) and organosilane coupling agents, such as 3-aminopropyltriethoxysilane and 3 - glycidoxypropyltrimethoxysilane. The alkaline treatment has removed much of hemicelluloses, lignin, wax and silica present in the husks. The dissolution of these components resulted in a higher hygroscopicity of husks and lower mechanical properties of biocomposites. The coupling between an alkaline treatment and a silane treatment seems to provide better properties than the silane treatment alone. This surface treatment has a greater impact on the Einkorn wheat husks than on rice husksThe variations of the functional properties of rice husks based biocomposites during different ageings (thermal ageing, hydro-thermal ageing, hygro-thermal cycled ageing, UV ageing) was studied. The results show that the microstructural changes induced by ageing significantly influence the properties of biocomposites. Biocomposites degradation results in a decrease of the average molecular weight of PLA. The reorganization of these macromolecules significantly increases the degree of crystallinity of the material. This causes a change in color, dimensional stability of devices and mechanical properties of PLA and biocomposites which essentially depends on the ageing temperature regards to the glass transition temperature of PLA. It appears that the addition of husks accelerates the degradation of PLA. In the case of a hydro-thermal ageing performed above the glass transition temperature of the PLA, a reduction of this degradation was demonstrated by the use of specific surface treatments of husks.