Transcript
Projet de recherche sur les bioplastiques Andro Vachon, Ing. mécanique, CTMP Enseignant en techniques de la plasturgie CEGEP de Thetford Québec, le 9 février 2012 FQRNT Journée de la recherche du FQRNT Projet de recherche - Biopolyesters Contexte : Subvention offerte par le FQRNT dans le cadre du Programme de recherche pour les enseignants de collège ; But : Intégrer les activités de recherche du centre collégial de transfert de technologie CTMP : Durée : Libération à la hauteur de 30 % par année de ma tâche d enseignant sur une période de 3 ans ( ). Objectifs : Participer au projet de recherche sur les biopolyesters financé en partie par le CRSNG sur une période de 5 ans ( ). Axes de développement du projet de recherche Biopolyesters : Les biopolyesters thermoplastiques ; Les biopolyesters thermodurcissables ; Les additifs oléochimiques. Présentationdu CTMP Centre collégial de transfert de technologie (CCTT) en technologie minérale et en plasturgie (CTMP) affilié au CEGEP de Thetford. Une équipe pluridisciplinaire : o Des chercheurs de haut niveau (Ph.D + post doc) ; o Des professionnels chevronnés (ingénieurs, chimistes, etc.) ; o Des techniciens compétents (7 techniciens) ; o Une équipe administrative efficace ; o Des enseignants (6 à 8 à temps partiel chaque année) et des étudiants stagiaires. Deux secteurs d expertise : La plasturgie La minéralurgie (concassage, séparation et classification). CTMP - Secteur de laplasturgie Équipements de transformation Extrudeuse bi-vis co-rotative ; Extrudeuses mono-vis ; Presses à injection (Arburg) ; Presse à compression ; Presse extrusion soufflage ; Mélangeur interne, calandres, etc. CTMP - Secteur de laplasturgie Appareils de caractérisation : Appareil d impact Izod / Charpy et Gardner ; Appareil de traction et DMA ; Analyse thermique par DSC, TGA et TMA ; Température de fléchissement sous charge (TFC) ; Plastomètre (Melt index) ; Rhéomètre de type Mars III ; Perméabilité (oxygène et eau) ; Microscopie optique, etc. Thèmes de recherche Caractérisation des matériaux ; Développement de produits et choix des polymères ; Adaptation des procédés de transformation ; Développement de formulations (charges, plastifiants, autres additifs, etc.) ; Développement de matériaux à partir de polymères recyclés ; Étude des bioplastiques et des charges naturelles. Objectif du projet Biopolyesters Développer une expertise sur des bioplastiques pour substituer les thermoplastiques conventionnels : o Substituer les PE, PS, PET par exemple, marché des emballages. Améliorer les formulations de l acide polylactique (PLA) à partir de charges, de renforts, et d additifs : o Bonifier certaines propriétés déficientes des bioplastiques (résistance à l impact) ; Étudier et optimiser la transformation des bioplastiques : o Procédé d injection ; o Procédé d extrusion ; o Calandrage, etc. Étude de l acide polylactique (PLA) Les aspects positifs du PLA : Propriétés mécaniques à température ambiante acceptables (rigidité élevée, bonne résistance) ; Bonne transparence et brillance ; Bonnes propriétés barrières aux graisses, aux huiles et aux arômes ; Biodégradable, compostable et biocompatible. Les aspects négatifs du PLA : Polymère cassant ; Faible résistance thermomécanique à T T g et Tg = 50 à 65 o C ; Stabilité thermique relativement faible (dégradation thermique) ; Perméabilité à la vapeur d eau, O 2, CO 2 ; Sensible à l hydrolyse ; Dégradation lente (température et humidité élevées). Objectifs du sous-projet Le sous-projet vise l atteinte des objectifs suivants : Meilleure compréhension de la mise en œuvre des bioplastiques ; Augmenter la résistance à l impact du PLA (Izod et Gardner) ; Améliorer les propriétés thermomécaniques du PLA ; Accélérer la cristallisation du PLA lors de sa transformation ; Réduire le coût d achat des mélanges à base de PLA ; Favoriser le transfert technologique vers les entreprises. Présentation des polymères et additifs PLA thermoplastique 2003D de NatureWorks : C est un polyester bio-sourcé obtenu par polyaddition du lactide (c est une polymérisation par ouverture de cycle) Tg = 60 C, Tc = 113 C, Tf = 155 C, indice de viscosité = 8.47 g/10 min (210 C, 2.16 kg) Les élastomères utilisés : Élastomère A : Un polyuréthane Élastomère B : Un polyester Élastomère C : Un polyamide Additif D : Imbiol, additif vendu pour accroître les propriétés à l impact du PLA Les agents couplants utilisés : Agent couplant 1 : Dérivé méthacrylique Agent couplant 2 : Dérivé d anydride Agent couplant 3 : Dérivé de lactame Résultats des tests d impact Gardner (Outil GB) Observations : L ajout de 16 % d élastomère A (polyuréthane) permet d accroître de % la résistance à l impact Gardner. L ajout de 16 % d élastomère B ou d additif D (Imbiol) permet d accroître la résistance à l impact de %. L additif D (imbiol), conçu pour accroître la résistance à l impact, se comporte similairement à l élastomère B. L influence des élastomères augmente rapidement lorsque leurs quantités respectives dépasse environ 10 % dans la matrice du PLA. L élastomère C (polyamide) améliore peu les propriétés à l impact Gardner du PLA. Impact Gardner : PLA + 12 % Élasto. + Agents couplants Observations : Le but de l agent couplant est de créer des liaisons intermoléculaires (meilleure cohésion entre les phases). L agent couplant 1 augmente la résistance à l impact, surtout avec l élastomère A, soit de 45 %, 90 % et 137 % pour des quantités respectives de 2%, 4% et 8%. L agent couplant 2 apporte un gain significatif avec l élastomère C (polyamide). L agent couplant 3 diminue les propriétés à l impact, à l exception du mélange PLA+12% élastomère C, ou il améliore légèrement les résultats. Résultats à l impact sans les agents couplants sont : PLA+12% Élasto A = 1042 J/m PLA+12% Élasto B = 1239 J/m PLA +12% Élasto C = 307 J/m Résultats des tests d impact Izod (en cisaillement) Observations : Les élastomères étudiés augmentent peu la résistance à l impact en cisaillement Izod (généralement moins de 30 % d augmentation). Les mélanges PLA + élastomères sont plus performants que l additif Imbiol. Une quantité supérieure à 12 % d élastomère C (polyamide) semble accroître les propriétés à l impact d environ 60 %. Il n existe pas de corrélation évidente entre les résultats à l impact Gardner et ceux de l impact Izod avec entaille. Histoire thermique : Échantillons moulés par injection et impactés à température ambiante. Impacts Izod : PLA + 12 % Élasto + Agents couplants Observations : L agent couplant 1 augmente de façon marquée les résultats à l impact Izod lorsqu il est combiné à un mélange PLA + 12% élastomère C (polyamide). Augmentation de 28 %, 243 % et 622 % pour des quantités respectives de 2%, 4% et 8%. Hypothèse : Diminution taille des phases. L ajout de l agent couplant 2 et 3 n influence pas significativement les résultats à l impact Izod, à l exception du mélange PLA + élasto C + agent couplant 2 qui démontre des gains de 26%, 159% et 94% pour des quantités respectives de 2%, 4% et 8%. Résultats à l impact sans les agents couplants : PLA + 12% Élasto A = 39 J/m PLA + 12% Élasto B = 40 J/m PLA + 12% Élasto C = 49 J/m Module de Young des mélanges PLA + élastomères Observations : Le module de Young diminue progressivement avec l incorporation croissante d élastomère. Cependant, la chute est plus ou moins marquée suivant le type d élastomère. Voici les variations du module de Young pour l ajout de 12% d élastomère : PLA + 12% Élasto A = -12 % PLA + 12% Élasto B = - 4 % PLA + 12% Élasto C = - 25 % PLA + 12% Élasto D = - 14 % La conservation du module de Young est : Elasto B Élasto A Additif D Élasto C Module de Young Mélanges PLA + Élasto. + agents couplants Observations : La combinaison de l agent couplant à l élastomère conduit généralement à une perte de rigidité du mélange obtenu, à l exception de l élastomère C. Le matériau devient généralement plus flexible lorsque l on augmente la concentration de l agent couplant (effet plastifiant). Le module de Young des mélanges PLA + 12% Élasto C est nettement plus faible que les autres mélanges étudiés. Voici les valeurs des modules de Young des différents mélanges PLA + 12% d élastomère : PLA + 12% Élasto A = 3000 MPa PLA + 12% Élasto B = 3274 MPa PLA + 12% Élasto C = 2547 MPa Position du pic de cristallisation au DSC (10 degrés/min) Observations : Faible augmentation de la température de cristallisation lorsque le pourcentage d élastomère augmente (valide pour l élastomère A et B). L ajout d élastomères rend la cristallisation plus difficile. L élastomère D génère une augmentation de la température de cristallisation. De plus, ce pic n est plus observé lorsque l élastomère atteint une concentration de 8% ou plus. L additif D (Imbiol), utilisé en concentration élevée, semble nuire à la cristallisation du PLA N.B.: La vitesse des balayages est de 10 degrés ºC / minute. Position du pic de fusion au DSC (10 degrés/min) Observations : Position du pic de fusion insensible à l ajout et à la nature des élastomères. La matrice du PLA demeure pure. L additif D génère un faible déplacement de la position du pic de fusion (augmentation de la température de fusion). Les cristaux sont plus stables. Position de la transition vitreuse (Tg) des mélanges Observations : L incorporation d élastomère n influence pas la température de la Tg du PLA. La matrice PLA demeure pure. Il y a donc formation de deux phases distinctes. L additif D (Imbiol), utilisé pour accroître les propriétés à l impact du PLA, semble générer une légère augmentation de la Tg. Température de fléchissement sous charge (TFC) Observations : Évolution pratiquement négligeable de la TFC en fonction des mélanges. Variation de 5ºC au maximum, soit moins de 10 %. L additif D (Imbiol) génère une faible augmentation de la TFC, peu importe la quantité utilisée. L incorporation d élastomère, dans les conditions d étude, n influence pas le comportement de la phase PLA. Vitesse de la cristallisation du PLA suite à un recuit Observations : Une température de recuit inférieure à 90 ºC ne permet pas d atteindre un pourcentage de cristallisation élevé. Une température de recuit de plus de 100 ºC permet d accroître le pourcentage de cristallisation ainsi que la vitesse de cristallisation. Il semble exister un plateau de cristallisation à environ 22% qu il n est pas possible de dépasser pour un PLA 2003D pur lors d un recuit. Étude TFC pour des mélanges PLA + Élasto A avec & sans recuit Conclusions et perspectives Nous avons développé une nouvelle gamme de biopolymères possédant une résistance à l impact élevée sans diminuer ses propriétés mécaniques de façon importante. La nouvelle gamme de polymère se transforme bien par extrusion et par injection. Publication éventuelle des résultats des mélanges PLA-élastomères pour ses propriétés à l impact Gardner et Izod. Incorporation de plastifiants afin de favoriser la cristallisation plus rapide et ainsi augmenter les propriétés à l impact. Diminuer le coûts de production des mélanges PLA-élastomère (incorporation de charges économiques) Améliorer les propriétés thermomécaniques (étude du processus de cristallisation de la phase PLA) Participants au projet de recherche Andro Vachon, Ing. Professeur au département de plasturgie et de génie mécanique Tél : poste 621 Courriel : Site Web : Pascal Vuillaume, Ph.D. (CTMP, Directeur de la recherche) Éric Leclair, Ing. (CTMP, Coordonateur du secteur plasturgie) Steve Carrier (CTMP, Technicien en plasturgie) Steeve Lacasse (CTMP, Technicien en plasturgie) Luc Deschamps (CTMP, Technicien en plasturgie) Mado Poulin (CTMP, Technicien en plasturgie) Anne Le Trionnaire (CTMP, Stagiaire et étudiante en Techniques de la plasturgie) Michel Huneault, Ing., Ph.D (Professeur et chercheur à l Université de Sherbrooke) Remerciements
