Diffusion de l’eau dans les polymères biodégradables

Water diffusion in biodegradable polymers

• Auteur / Autrice : Pan Wang
• Direction : Guo Hua Hu, Sandrine Hoppe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 24/06/2025
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Royaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guo Hua Hu, Sandrine Hoppe, Min Hui Li, Christophe Alexandre Serra, Michel Bouquey
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Min Hui Li, Christophe Alexandre Serra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matières plastiques biodégradables

Cristallisation

Hydrolyse

Théorie du transport

Acide polylactique

Diffusion (physique)

Eau

Biodégradation

Polymères

Mots clés libres

Polymères biodégradables

Diffusion de l’eau

Acide polylactique (PLA)

Deuxième loi de Fick sur la diffusion

Hydrolyse et recristallisation

Mélanges PLA/PBAT

Biodegradable polymers

Water diffusion

Polylactic acid (PLA)

Fick’s second law of diffusion

Hydrolysis and recrystallization

PLA/PBAT blends

Résumé

La diffusion de l'eau joue un rôle crucial dans la stabilité et les performances des polymères biodégradables, influençant nombre d’applications telles que les emballages alimentaires, les implants biomédicaux et les matériaux durables. Cette thèse porte sur l'étude des effets de la température, de l'hydrolyse et de la recristallisation sur le coefficient de diffusion de l'eau dans les polymères biodégradables, en particulier le poly(acide lactique) (PLA) et son mélange avec le poly(adipate-co-téréphtalate de butylène) (PBAT). La deuxième loi de diffusion de Fick est employée pour déterminer le coefficient de diffusion dans ce travail. La thèse est structurée autour de trois axes principaux :Développement d'une méthode computationnelle : Le premier axe vise à développer une méthode computationnelle permettant de résoudre la deuxième loi de Fick pour déterminer le coefficient de diffusion, en remédiant aux limitations des approximations analytiques classiques. Cette méthode analyse l'ensemble du profil de diffusion, fournissant une estimation plus fiable du coefficient de diffusion par rapport aux modèles conventionnels qui se basent sur des données de diffusion à court terme. La validité et les performances de cette approche sont confirmées à l’aide de données issues de la littérature sur la diffusion de l'eau dans le PLA et de l'oxygène dans le poly(téréphtalate d'éthylène) (PET), démontrant que cette approche élimine certaines hypothèses restrictives et offre une plus grande applicabilité. Effets de la température, de l'hydrolyse et de la recristallisation sur la diffusion dans le PLA : Le deuxième axe explore les effets de la température, de l'hydrolyse et de la recristallisation sur la diffusion de l'eau dans le PLA. L'absorption d'eau est mesurée sur une période définie à l'aide d'une balance analytique, et le coefficient de diffusion est déterminé à partir du profil de diffusion complet. La cristallinité et l'hydrolyse sont caractérisées par XRD, DSC et GPC. Les résultats révèlent l'influence de la température, de la cristallisation du polymère, de la dégradation hydrolytique et de l'agrégation de l'eau sur le comportement de diffusion. Comportement de diffusion dans les mélanges PLA/PBAT : Le troisième axe se concentre sur l'étude du comportement de diffusion dans les mélanges PLA/PBAT. Les effets du ratio de mélange, de la morphologie, de la température et des processus d'hydrolyse et de recristallisation associés sont examinés. L'étude met en évidence l'influence du rapport de mélange et de la morphologie sur la diffusion de l'eau. Cette thèse propose une approche exhaustive pour comprendre les interactions complexes affectant la diffusion de l'eau dans les polymères biodégradables. Elle fournit des éléments clés pour améliorer les performances des matériaux utilisés dans diverses applications durables.

Water diffusion plays a critical role in the stability and performance of biodegradable polymers, influencing applications such as food packaging, biomedical implants, and sustainable materials. This thesis focuses on investigating the effects of temperature, hydrolysis, and recrystallization on the diffusion coefficient of water in biodegradable polymers, particularly poly(lactic acid) (PLA) and its blends with poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT). Fick’s second law of diffusion is employed to determine the diffusion coefficient in this work. The thesis is structured around three main tasks:Development of a computational method: The first task is to develop a computational method for solving Fick’s second law of diffusion to determine the diffusion coefficient, while addressing the limitations of classical analytical approximations. This method analyzes the entire diffusion profile, providing a more reliable estimate for the diffusion coefficient compared to conventional models, which rely on short-time diffusion data. The validity and performance of this computational method are confirmed using literature data on liquid water diffusion in PLA and oxygen diffusion in poly(ethylene terephthalate) (PET), demonstrating broader applicability by eliminating restrictive assumptions. Effect of temperature, hydrolysis, and recrystallization on PLA diffusion: The second task is to investigate the effects of temperature, along with hydrolysis and recrystallization, on water diffusion in PLA. Water uptake is measured over a defined period using an analytical balance, and diffusion coefficient is determined from the full diffusion profile. Crystallinity and hydrolysis are characterized with XRD, DSC, and GPC. The results reveal the influence of temperature, polymer crystallization, hydrolytic degradation, and water aggregation on the water diffusion behavior. Diffusion behavior of PLA/PBAT blends: The third task focuses on the diffusion behavior of PLA/PBAT blends. The effects of blend ratio, morphology, temperature, and associated hydrolysis and recrystallization are examined. The study highlights how blend ratio and morphology influence water diffusion. This thesis presents a comprehensive approach to the understanding of complex interactions affecting water diffusion in biodegradable polymers, provides valuable insights for improving the performance of materials for various sustainable applications.