Cinétique de cristallisation, structure et applications des stéréocomplexes de PLA

Abstract

Résumé : Le poly(acide lactique) ou PLA est une famille de polyester thermoplastique linéaire qui a connu un essor commercial important durant la dernière décennie. L'enthousiasme pour le PLA vient de sa nature biosourcée, de ses bonnes propriétés mécaniques comme un module élastique élevé et de la possibilité de le biodégrader. Toutefois, certaines carences comme une faible résistance thermique et une faible élasticité à l’état fondu limitent son champ d’application. Fait à noter, le monomère d’acide lactique possède deux stéréo-isomères (L et D). Il est possible de polymériser les isomères L ou D pour former respectivement le PLLA ou le PDLA mais de façon surprenante, le mélange de PLLA et de PDLA permet la formation d’une structure cristalline distincte appelée le stéréocomplexe. Cette forme cristalline a un point de fusion 50[degré]C plus élevé par rapport aux formes cristallines du PLLA ou de PDLA d’où un premier intérêt pour augmenter la résistance thermique du matériau. Dans ce travail, l’usage de petites quantités (0-5 % massique) de PDLA comme additif dans une phase majeure de PLLA sera analysé. L’effet du stéréocomplexe formé à haute température sur la nucléation du PLLA et sur les propriétés rhéologiques du mélange sera plus particulièrement étudié. La présente thèse comprend une revue de littérature sur la cristallisation des PLA suivie de quatre parties expérimentales, conclusions et recommandations. La revue de littérature a pour objectif de réinterpréter l’ensemble des données disponibles sur la cristallisation du PLA afin d’en tirer des conclusions claires. La première partie expérimentale porte sur la cinétique de formation du stéréocomplexe à l'état fondu. Il a été constaté que la formation du stéréocomplexe est lente aux températures usuelles de mise en forme du PLLA ( 180[degré]C). De plus, la coexistence d’une morphologie baptisée dans ce travail « structure en réseau » et d’une morphologie sphérulitique a été révélée pour la première fois. Il a été démontré que la structure de réseau a une température de fusion moins élevée que la structure sphérulitique. Dans la seconde partie du travail, la cinétique de stéréocomplexation a été améliorée significativement pour adapter celle-ci aux cycles de refroidissement courts typiques des méthodes de mise en forme à l’état fondu. Ceci a été réalisé en ajoutant des agents nucléants qui initient la cristallisation à plus haute température et des agents plastifiants qui viennent augmenter la mobilité des polymères. Cette stratégie a permis de réduire le temps de cristallisation d’un ordre de grandeur. Dans un troisième temps, l'effet du stéréocomplexe sur les propriétés rhéologiques d’un mélange PDLA/PLLA a été investigué. En raison de son point de fusion élevé, le stéréocomplexe peut être préservé dans une matrice PLLA fondue et ainsi changer significativement les propriétés rhéologiques. La présence du stéréocomplexe a mené à une augmentation significative de la viscosité et de l'élasticité du PLA expliqué par la formation de points de « réticulation physique » dans la matrice amorphe. Enfin, dans la dernière partie expérimentale, le stéréocomplexe a été utilisé pour améliorer le comportement en moussage du PLA. Des expériences de visualisation et de moussage en mode discontinu ont montré que la présence de stéréocomplexe augmente la densité de nucléation de bulles et améliore significativement la morphologie de la mousse finale grâce à un effet de nucléation et à l’augmentation de l’élasticité du fluide. La revue de littérature et les trois premières parties expérimentales sont présentées sous forme d’articles scientifiques. La dernière partie expérimentale est à titre prospectif pour la suite du projet et ne sera pas soumise pour publication. // Abstract : Poly(lactic acid), or PLA, is a family of linear thermoplastic polyesters that has experienced strong market growth over the past decade. The enthusiasm for PLA originates from its bio-based nature, its good properties and its biodegradability. However, some of PLA deficiencies such as low thermal resistance and low melt elasticity have limited the development of this polymer. It is noteworthy that the lactic acid monomer has two stereo-isomers (L and D) that can be polymerized respectively into PLLA and PDLA but surprisingly, blending of PLLA and PDLA can lead to the formation of a “stereocomplex” which has a distinct crystalline structure from that of the homopolymers. This crystalline form has a melting point 50 oC greater than the crystalline PDLA or PLLA forms, thus it has by itself an interest in terms of heat resistance. In this work, the use of small amounts of PDLA (0-5%) in a matrix of PLLA will be explored. Particular emphasis will be on the nucleating ability of the stereocomplex (formed at high temperature) on PLLA crystallization and on its effect on the blends rheological properties. The current thesis comprises a literature review on PLA crystallization followed by four experimental sections. The objective of the literature review was to reinterpret the large body of data available on PLA in order to draw clear conclusions on PLA crystallization. The first experimental part of the work focused on the kinetics and conditions of stereocomplex formation in the melt state. It was found that stereocomplex formation is slow in the melt processing temperature range of PLLA (180 oC). Co-existence of a so-called “network structure” with a spherulitic structure was revealed for the first time. It was shown that the network structure has a lower melting point than the spherulitic one. In the second part of the work, stereocomplexation kinetics was improved significantly to match it with the fast cooling cycles typical of melt processing techniques. This was achieved by adding nucleating agents that initiated crystallization at higher temperatures and plasticizers that enabled more polymer fluidity. This strategy enabled an order of magnitude decrease in crystallization time. The third part of the work was the investigation of rheological properties upon formation of the stereocomplex structure in 0-5% PDLA in PLLA blends. Due to its higher melting point, the stereocomplex can be preserved in molten PLLA and alter significantly the blend melt rheology. Stereocomplex formation was monitored through rheological measurements and compared to classical calorimetry data. The presence of the stereocomplex lead to a significant increase in viscosity and in melt elasticity explained through the presence of physical crosslink points in the amorphous matrix. Finally, in the last experimental part of the work, the stereocomplex was employed to enhance PLA foaming behavior. Foaming visualization experiments as well as batch foaming tests showed that the presence of the stereocomplex can increase bubble nucleation density and led to a finer and more uniform foam morphology due to its nucleating effect and to the increased melt elasticity. The literature review and the three first experimental sections are presented in Peer-reviewed journal format. The last experimental section is meant as an exploratory and prospective part for the project and will not be submitted for publication.