Identification de la matrice thermoplastique

L’objectif de l’étude est d’identifier les matrices thermoplastiques compatibles avec les lignosulfonates de calcium et les charges d’hydroxyde double lamellaire/lignosulfonate (HDL/LS). Dans notre étude, l’analyse morphologique des différents mélanges par microscopie optique sera utilisée pour évaluer la compatibilité entre les matrices thermoplastiques et les charges de lignosulfonate ou de HDL/LS.

2.2.1. Protocole de mise en forme

L’observation en microscopie optique ne nécessite pas d’avoir une grande quantité de matière. De plus, étant donné le grand nombre de matrices testées, une méthode rapide est nécessaire. Nous avons donc utilisé une mini extrudeuse bi vis permettant de mélanger jusqu’à 7 cm3 _{de matière. Après étuvage des granulés de thermoplastiques, les différents mélanges} s’effectuent dans les mêmes conditions : un temps de mélange de 5 min, une vitesse de rotation des vis de 100 tr/min, seule la température varie d’un polymère à l’autre afin de garantir des conditions optimales de mélange. Les différents polymères ainsi que leurs températures de mise en forme sont regroupés dans le Tableau 5 - 2. La concentration des mélanges est identique et est de 1% massique de lignosulfonate ou de HDL/LS dans les différentes matrices polymères. Pour la matrice d’amidon, le glycérol (35% par rapport à la quantité de matière sèche) et l’eau (15% par rapport à la quantité de matière sèche) sont utilisés comme plastifiant. Après extrusion, les échantillons sont thermoformés à l’aide d’une presse Carver sous forme de film mince pour une observation en microscopie optique. L’échantillon d’hydroxypropyl cellulose (HPC)/Lignosulfonate est lui mis en forme en solution. Dans 100 mL d’eau distillée on pèse 3 g d’HPC et 0,03 g de lignosulfonate. On agite vigoureusement pendant une nuit puis on moule la solution dans des boîtes de Petri. Les échantillons sont séchés à l’air libre jusqu’à évaporation complète.

Tableau 5 - 2. Matrices thermoplastique

LDPE PBAT

(°C) 140 150

Les mélanges polymère

On observe aussi que seuls les échantillons préparés à partir d’HPC et d’amidon sont homogènes, les autres échantillons présentent des agrégats marron visible

(a)

Figure 5 - 1. Observation macroscopique des m

2.2.2. Protocole d’analyse d’image

Les mélanges de polymère

Une platine chauffante est utilisée pour fondre le film et limiter la rugosité de surface pour améliorer l’observation des mélanges. La taille des particules de lignosulfonate

occupée par ces particules sont mesurées par analyse d’image à l’aide du logiciel Ellix (Microvision) en détectant les contours réels des particules (

paramètres optimisés regroupés dans le

Chapitre 5 : Nanocomposite hybride biosourcé

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thermoplastiques et températures de mise en forme.

PLA EVA POE PBS PA

165 140 140 150 140

Les mélanges polymère – lignosulfonate ont une couleur légèrement

On observe aussi que seuls les échantillons préparés à partir d’HPC et d’amidon sont homogènes, les autres échantillons présentent des agrégats marron visible

(b)

. Observation macroscopique des mélanges (a) lignosulfonate – PLA et (b) lignosulfonate

2.2.2. Protocole d’analyse d’image

mélanges de polymère – lignosulfonate sont observés avec un microscope optique. Une platine chauffante est utilisée pour fondre le film et limiter la rugosité de surface pour améliorer l’observation des mélanges. La taille des particules de lignosulfonate

occupée par ces particules sont mesurées par analyse d’image à l’aide du logiciel Ellix (Microvision) en détectant les contours réels des particules (Figure 5 - 2

paramètres optimisés regroupés dans le tableau Figure 5 - 2 - b.

: Nanocomposite hybride biosourcé

PHBV Amidon

170 120

ment jaune – marron. On observe aussi que seuls les échantillons préparés à partir d’HPC et d’amidon sont homogènes, les autres échantillons présentent des agrégats marron visibles à l’œil Figure 5 - 1.

PLA et (b) lignosulfonate – HPC.

lignosulfonate sont observés avec un microscope optique. Une platine chauffante est utilisée pour fondre le film et limiter la rugosité de surface pour améliorer l’observation des mélanges. La taille des particules de lignosulfonate et la surface occupée par ces particules sont mesurées par analyse d’image à l’aide du logiciel Ellix 2 – a) et suivants les

Chapitre 5 : Nanocomposite hybride biosourcé

(a) (b)

Paramètre Valeur

Seuillage Teintes sombres Filtrage Trous < 11,9 µm

Artefact < 9,26 µm

Séparation Fine 3,97 µm

Object du bord Exclure

Figure 5 - 2. (a) Traitement d’image en contour réel et (b) paramètres d’analyse d’image.

On effectue la mesure de la surface des particules sur trois images. On détermine la surface moyenne des particules ainsi que la surface totale occupée par les particules (Tableau 5 - 3). On utilise la surface moyenne des particules pour déterminer le degré de solubilité de la phase dispersée (lignosulfonate ou HDL/LS) dans la matrice thermoplastique.

Tableau 5 - 3. Exemple du traitement d’image sur l’échantillon d’éthylène-acétate de vinyle – HDL/LS.

Image Distribution de taille des particules Surface moyenne des particules et Surface totale couverte

Sm =282.2 μm² ∑ = 226604.8 μm² Sm = 263 μm² ∑ = 173 550.4 μm² Sm = 266.1 μm² ∑ = 204 930.2 μm²

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2.2.3. Corrélation entre la surface des particules et le paramètre de solubilité de la matrice

L’affinité entre deux polymères peut être évaluée par l’écart entre leurs paramètres de solubilité. L’observation des morphologies des différents mélanges par microscopie optique nous a permis de calculer la surface moyenne des agrégats de lignosulfonate dans les différentes matrices polymères. La Figure 5 - 3 représente la surface moyenne des agrégats de lignosulfonate dans les différentes matrices en fonction du paramètre de solubilité de la matrice polymère. On représente une moyenne effectuée sur trois images.

Figure 5 - 3. Corrélation entre surface totale des agrégats LS par image et paramètre de solubilité de la matrice.

Il existe bien une dépendance entre miscibilité et paramètre de solubilité. La taille minimum des agrégats est obtenue pour les écarts les plus faibles entre paramètre de solubilité de la lignine et paramètres de solubilité de la matrice, c’est le cas notamment de la matrice PHBV. Dans les autres matrices, l’interaction polymère – polymère et lignine – lignine étant plus forte que l’interaction polymère – lignine, il n’est pas possible de disperser les particules de lignine. Les matrices HPC et amidon permettent d’obtenir des mélanges avec les lignosulfonates homogènes à l’échelle microscopique. L’utilisation de l’eau dans la préparation des nanocomposites à matrice HPC ou amidon intervient comme un vecteur de dispersion des nanocharges HDL/LS. Il faut noter que le paramètre de solubilité des agrégats est donné pour la lignine et non pour des lignosulfonates de calcium. Cette différence induit forcément une modification de cette valeur et une différence de miscibilité entre lignine – polymère et lignosulfonate – polymère. De plus il est bien connu que les lignosulfonates sont, parmi les lignines industrielles, les moins adaptés pour des mélanges avec des matrices polymères notamment par leurs caractères hydrophiles et leur haut poids moléculaire.

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