Films composites amidon de manioc-kaolinite : influence de la dispersion de l'argile et des interactions argile-amidon sur les propriétés des films

Cassava starch-kaolinite composite films : Influence of the clay dispersion and clay-starch interactions on the films properties

• Auteur / Autrice : Jean Aimé Mbey
• Direction : Fabien Thomas, Sandrine Hoppe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 11/02/2013
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Environnement et Minéralurgie
• Jury : Président / Présidente : Vincent Boly
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Martin, Eric Pollet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Boly, Xavier Coqueret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amidons

Kaolin

Composites

Matériaux hybrides

Mots clés libres

Composite argile-polymère

Amidon

Kaolinite

Analyse thermique

Test mécanique

Propriétés de barrières

Polymer-clay composite

Starch

Kaolinite

Thermal analysis

Mechanical test

Barrier properties

Résumé

Cette étude porte sur des films composites à base d'amidon de manioc plastifié au glycérol et d'une argile kaolinique, comme charge minérale. L'origine et les mécanismes des interactions argile-amidon et leur rôle sur les propriétés des films ont été examinés. Pour vaincre le caractère non-expansible de la kaolinite, l'analyse du mécanisme de son exfoliation a été effectuée par insertion du diméthylsulfoxyde suivi d'un échange en milieux acétate d'éthyle et acétate d'ammonium. Une forte déstructuration de l'édifice cristallin de la kaolinite suite à l'échange est observée. La réassociation des feuillets après échange est désordonnée et permet d'escompter une meilleure dispersion de la kaolinite intercalée au sein d'un polymère. Ceci est confirmé par les analyses comparées de microscopies et de diffraction des rayons X sur des films incorporant diverses doses d'argile brute ou intercalée. L'abaissement de la température de transition vitreuse et du module élastique, ainsi que l'accroissement des effets de barrières à la décomposition thermique, à la diffusion de vapeur d'eau et à la transmission des UV visibles confirme la dispersion meilleure de la kaolinite intercalée. L'orientation des chaînes d'amidon et la diffusion du plastifiant transporté à l'interface par l'argile sont les mécanismes qui justifient l'effet plastifiant apporté par l'argile. L'interférence des interactions amidon-argile sur les interactions chaîne-chaîne au sein de l'amidon participe à la plasticité des films en diminuant la cristallinité. Les interactions amidon-argile se sont avérées faibles du fait des répulsions électrostatiques associées à des interactions associatives de type pont hydrogène

In this study, composites films made from glycerol plasticized cassava starch and a kaolinite clay, as mineral filler, were studied. The origin and mechanisms of clay-starch interactions and their role on films properties are examined. To deal with the unexpandable nature of kaolinite, an analysis of its exfoliation mechanism was done through dimethylsulfoxide (DMSO) intercalation followed by DMSO displacement using ethyl acetate and ammonium acetate. The crystalline structure of kaolinite is deeply disordered upon DMSO displacement because of a random reassociation of the clay layers. A better dispersion of the intercalated kaolinite within a polymer matrix is then expected. This expectation was confirmed by the comparison of microscopes and X-ray diffraction analyses on films charged with various dosages of raw or DMSO intercalated kaolinite. The lowering of the glass transition temperature and the elastic modulus together with the increase of barrier effects to thermal decomposition, water vapour diffusion and visible UV transmission, confirmed that the intercalated kaolinite is better dispersed. The starch chain orientation coupled to increase starch/glycerol miscibility due to the transportation of glycerol at the interface by clay particles are the two mechanisms that better explained plasticization effect induced by the filler. The interference of starch-kaolinite interactions on starch chain-chain interactions caused a decrease of starch matrix cristallinity that contribute to increase plasticization. The starch-kaolinite interactions are found to be weak due electrostatic repulsion associated to some weak associative forces due to hydrogen bonds