Mélanges à base de PLA ou de PHA avec d’autres polymères

Dans un premier temps, nous nous proposons de réaliser un tour d’horizon succinct des études réalisées sur les mélanges de PLA avec d’autres polymères (PHA exclus), puis sur les mélanges à base de PHA. Nous constaterons qu’il existe une littérature très abondante sur le sujet.

III.1.1. Mélanges de PLA avec d’autres polymères

On trouve une très grande quantité de références sur les mélanges à base de PLA dans la littérature, que ce soit avec des polymères biodégradables ou non biodégradables. Dans cette partie, nous donnerons quelques exemples de mélanges représentatifs ; il ne s’agit en aucun cas d’une liste exhaustive, tant le nombre de partenaires de mélange avec le PLA est élevé.

Nous avons vu dans la Partie I que le PLA a des propriétés mécaniques parfois trop faibles pour rivaliser avec les polymères pétrochimiques classiques. En particulier, l’allongement à la rupture et la résistance au choc nécessitent d’être améliorés afin de pouvoir utiliser le PLA pour certaines applications nécessitant des propriétés mécaniques spécifiques. Pour ce faire, une des méthodes les plus utilisées et les plus étudiées est le mélange de PLA avec d’autres polymères.

Anderson et al. (2003) ont étudié des mélanges de PLA et de polyéthylène basse densité linéaire (PEBDL). Ils ont mis en évidence une augmentation importante de la résistance au choc du PLLA semi-cristallin par l’ajout de polyéthylène, alors que le PLA amorphe n’est quasiment pas renforcé par l’ajout de PEBDL seul. Ils ont constaté que l’ajout de compatibilisant (copolymère à blocs PLA-PE) permettait d’améliorer nettement les propriétés mécaniques des différents mélanges PLA/PE. En effet, l’ajout de 5 % en masse de copolymère dibloc PLA-PE permet de diminuer significativement la taille des nodules de PEBDL en limitant le phénomène de coalescence. La Figure I.29 illustre l’évolution de la morphologie de mélanges de PLA amorphe et de PEBDL avec l’ajout de compatibilisant.

Figure I.29 : Clichés de microscopie électronique à balayage de surfaces cryofracturées : (a) d’un

mélange binaire PLA/PEBDL 80:20 ; (b) d’un mélange compatibilisé PLA/PEBDL/PLLA-PE 80:20:5 (d’après Anderson et al., 2003)

Dans une seconde étude, Anderson et Hillmyer (2004) se sont intéressés à la compatibilisation de mélanges de PLA avec différents types de polyéthylènes (PEBDL et PEHD) en utilisant des copolymères à blocs PLA-PE de structures variées. Ils ont ainsi pu étudier l’influence de la microstructure de différents copolymères à blocs PLA-PE sur l’adhésion interfaciale entre la matrice et la phase dispersée et établir une corrélation avec les propriétés mécaniques des mélanges obtenus. En outre, ils ont montré que les propriétés de la phase dispersée jouent un rôle important dans le degré de renforcement. Ainsi, la résistance au choc des mélanges PLA/PE atteinte avec le PE linéaire caoutchoutique (PEBDL) est beaucoup plus élevée que celle atteinte avec le PEHD plus rigide.

Afin d’augmenter la résilience du PLA, de nombreux modifiants choc ont été étudiés [Anderson et al., 2008]. On peut citer les caoutchoucs et les particules de type cœur-écorce à base de différents types de copolymères, commercialisés par différentes entreprises. Par exemple, Li et Shimizu (2007), Han et Huang (2011) et Feng et Ye (2011) ont montré l’efficacité de l’incorporation de différents types d’élastomères thermoplastiques polyuréthane (TPU) dans le PLA sur ses propriétés mécaniques. Ainsi, la résistance à l’impact passe d’environ 4 kJ/m² pour le PLA pur à plus de 40 kJ/m² pour les mélanges de PLA contenant 30 % en masse de TPU [Han et Huang, 2011 ; Feng et Ye, 2011] ; pour la même composition de mélange, l’allongement à la rupture augmente de 4 % initialement à plus de 350 % [Li et Shimizu, 2007 ; Feng et Ye, 2011]. D’autre part, l’ajout de 10 % en masse de caoutchouc naturel dans une matrice de PLA a également permis d’augmenter notablement l’allongement à la rupture (de 3,3 % à 200 %) ainsi que la cristallisation du PLA [Bitinis et al., 2011].

Le PLA étant est un polymère biodégradable, certains auteurs ont porté leur intérêt sur des mélanges de PLA avec d’autres polymères biodégradables. Afin d’améliorer sa flexibilité, le PLA a notamment été mélangé avec des polymères possédant un allongement à la rupture élevé et des caractéristiques élastomériques. Les mélanges à base de PLA les plus étudiés sont probablement ceux avec la polycaprolactone (PCL) [Broz et al., 2003 ; Lopez-Rodriguez et al., 2006 ; Semba et al., 2007 ; Simoes et al., 2008]. On trouve également dans la littérature de nombreuses références sur les mélanges de PLA et de poly(butylène adipate-co-téréphtalate) (PBAT) [Jiang et al., 2006 ; Gu et al., 2008 ; Signori et al., 2009 ; Yeh et al., 2010]. On peut aussi citer d’autres partenaires de mélange du

PLA, comme le poly(butylène succinate) (PBS) [Chen et al., 2005], le poly(butylène succinate-co- butylène adipate) (PBSA) [Chen et Yoon, 2005], le poly(propylène carbonate) (PPC) [Ma et al., 2006], le poly(tétraméthylène adipate-co-téréphtalate) [Liu et al., 2005].

La grande majorité des études réalisées sur les mélanges de PLA avec d’autres polymères montre que la compatibilité entre les différents partenaires de mélange est mauvaise. Ainsi, beaucoup de travaux ont porté sur la compatibilisation de mélanges à base de PLA, par exemple dans le cadre de mélanges avec le PP [Choudhary et al., 2011], le PE [Anderson et Hillmyer, 2004 ; Kim et al., 2004], le polycarbonate [Lee et al., 2011] ou la PCL [Wu et al., 2010]. Feng et al. (2013) ont étudié la compatibilisation réactive de PLA et d’un poly(éthylène octène) greffé avec du méthacrylate de glycidyle. Enfin, notons que Stoclet et al. (2011) ont montré que bien que les mélanges de PLA et de polyamide 11 soient immiscibles, ils présentent une certaine compatibilité, et ce sans ajout de compatibilisant.

Certains auteurs se sont focalisés sur l’étude du comportement rhéologique et/ou de la dégradation thermique des mélanges à base de PLA. Gu et al. (2008) et Signori et al. (2009) ont étudié les mélanges de PLA et de PBAT, Bhatia et al. (2009) et Xu et Huang (2012) les mélanges de PLA et de PBS, Wu et al. (2010) les mélanges de PLA et de PCL et Biresaw et Carriere (2002) les mélanges de PLA et de PS. Dans certains cas, les auteurs ont pu calculer la tension interfaciale entre le PLA et son partenaire de mélange : ils ont obtenu 3,7 mN/m dans le cas du mélange PLA/PBS [Xu et Huang, 2012] et 5,4 mN/m dans le cas du mélange PLA/PS [Biresaw et Carriere, 2002].

Enfin, on peut mentionner que de nombreux travaux ont porté sur la plastification du PLA, notamment dans le but d’augmenter son allongement à la rupture [Martin et Avérous, 2001]. D’autres auteurs se sont intéressés à l’ajout de composés inorganiques dans le PLA (réalisation de nanocomposites) afin d’améliorer ses propriétés barrière aux gaz ou d’augmenter ses propriétés mécaniques [Ray et Okamoto, 2003]. Pour des raisons de concision, tous ces mélanges ne sont pas traités ici.

III.1.2. Mélanges de PHA avec d’autres polymères

La littérature concernant les mélanges de polyhydroxyalcanoates avec d’autres polymères est abondante (sans toutefois égaler celle traitant des mélanges à base de PLA). Ceci s’explique par le fait que les propriétés des PHA ont besoin d’être améliorées et que le mélange de polymères constitue une méthode adaptée dans ce but (mise en œuvre facile et coûts optimisés).

Le PHB et ses copolymères ont été mélangés avec une grande variété de polymères biodégradables et non biodégradables, ayant des propriétés très diverses. Notons qu’une grande partie des travaux menés sur les mélanges à base de PHA ont été effectués au début des années 1990 et que depuis quelques années, l’intérêt pour ces mélanges est renouvelé.

Parmi les polymères biodégradables mélangés aux PHA, on peut citer le polyoxyéthylène (POE) [Avella et Martuscelli, 1988], le poly(propylène carbonate) (PPC) [Peng et al., 2003], le poly(alcool vinylique) (PVA) [Azuma et al., 1992], la polycaprolactone (PCL) [Kumagai et Doi, 1992 ; Kim et Woo, 1998], le poly(butylène succinate) (PBS) [Qiu et al., 2003], les esters de cellulose tels que l’acétobutyrate de cellulose (CAB) et l’acétopropionate de cellulose (CAP) [Scandola et al., 1992] ou d’autres polysaccharides comme l’amidon [Kotnis et al., 1995]. Parmi les polymères non biodégradables, on trouve notamment le polyacétate de vinyle (PVAc) [Kumagai et Doi, 1992], le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) [Lotti et al., 1993], le polychlorure de vinyle (PVC) [Choe et al., 1995] et le polypropylène (PP) [Marcilla et al., 2009]. Cette liste est loin d’être exhaustive et les PHA ont été mélangés avec de nombreux autres polymères. Notons qu’une grande partie de ces études ont porté sur le comportement thermique, la miscibilité et la cristallisation des mélanges à base de PHB ou de PHBV. Dans la plupart des cas, les auteurs ont montré l’immiscibilité du PHB avec son partenaire de mélange [Azuma et al., 1992 ; Kumagai et Doi, 1992 ; Qiu et al., 2003 ], sauf avec le PEO [Avella et Martuscelli, 1988] et les esters de cellulose [Scandola et al., 1992].

Une autre stratégie consiste à mélanger les PHA entre eux. Une première possibilité est de mélanger ensemble des PHA de même nature, mais de tacticité différente. Par exemple, Abe et al. (1994) ont étudié la miscibilité et la morphologie de mélanges de P(3HB) isotactique et de P(3HB) atactique obtenu par polymérisation de A-butyrolactone. D’autres auteurs ont étudié les mélanges entre PHA de structures chimiques différentes. Gassner et Owen (1996) ont travaillé sur des mélanges de PHB et de poly(3-hydroxyvalérate) (PHV), Saito et al. (2001) sur des mélanges de PHB et PHBV, et Dufresne et Vincendon (2000) se sont intéressés aux mélanges de PHB et de poly(3- hydroxyoctanoate) (PHO). Par exemple, l’ajout de poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) (P3HB-4HB) au PHBV permet d’obtenir un matériau ductile, avec un allongement à la rupture très important : ainsi, pour un mélange PHBV/P3HB-4HB de composition 60/40, l’allongement à la rupture passe de 2,3 % à 259,9 % alors que le module élastique diminue relativement peu (de 1407 MPa à 1031 MPa) [Wang et al., 2010].

Parmi les différentes propriétés évaluées dans les études traitant des mélanges à base de PHA, la miscibilité des polymères a été beaucoup étudiée, comme nous l’avons déjà mentionné auparavant. En effet, les propriétés physiques d’un matériau à base de mélange sont très dépendantes des structures des phases. Quelques mélanges miscibles de PHA ont été obtenus avec le polyoxyéthylène (POE), la polyépichlorhydrine et le poly(acétate de vinyle) (PVAc). En revanche, les mélanges de PHA avec la polycaprolactone (PCL), le polypropylène et les élastomères tels que les copolymères éthylène- propylène sont immiscibles. Enfin, d’autres mélanges à base PHA sont partiellement miscibles, par exemple avec le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ou les esters de cellulose thermoplastiques [Avella et al., 2000]. Cependant, il est important de noter que les informations concernant la miscibilité des différents types de mélanges sont parfois contradictoires ; ceci s’explique par le fait que la miscibilité dépend de nombreux facteurs, comme le type de PHA utilisé, la masse molaire des

différents polymères ou le mode de préparation des mélanges. Les mélanges à base de PHA sont préparés soit par des techniques conventionnelles de « solvent casting », souvent dans le chloroforme, soit plus rarement par des techniques de mélange à l’état fondu. En général, la miscibilité dépend de l’histoire et de la méthodologie de préparation du mélange. En outre, dans le cas des mélanges préparés par « solvent casting », la miscibilité dépend beaucoup du choix des solvants ainsi que de la vitesse d’évaporation [Ha et Cho, 2002].

L’influence du mélange de PHA avec d’autres polymères sur la cristallisation et la vitesse de biodégradation a été également le sujet de nombreuses études. En particulier, il a été observé que les mélanges immiscibles montraient souvent une vitesse de biodégradation plus rapide que les mélanges miscibles [Verhoogt et al., 1994].

Des approches de compatibilisation des mélanges immiscibles ont également été développées pour les mélanges à base de PHA afin d’améliorer leurs propriétés mécaniques. Ainsi, de récents travaux ont porté sur l’étude de mélanges de PHBV et de PP compatibilisés par des copolymères [Marcilla et al., 2009 ; Sadik et al., 2013] et de PHB et de PP compatibilisés par des polyoléfines fonctionnalisées [Sadi et al., 2012]. Ma et al. (2012) ont également étudié la compatibilisation in situ de mélanges PHB/PBS et PHBV/PBS en présence de peroxyde de dicumyle. Les différents types de compatibilisants choisis ont notamment permis d’augmenter la résistance au choc et l’allongement à la rupture des mélanges réalisés.

Enfin, comme dans le cas du PLA précédemment, la plastification des PHA a été étudiée. L’ajout de différents plastifiants dans le PHB a permis d’augmenter sa ductilité [Ha et Cho, 2002]. D’autre part, on trouve également dans la littérature de nombreuses références sur l’ajout de fibres naturelles dans le PHA [Avella et al., 2000].