Optimisation des propriétés de mémoire de forme de l’amidon : rôle des procédés thermomécaniques et apport de l’introduction de nanocharges

Optimization of the shape memory properties of starch : role of thermomechanical processes and contribution of the presence of nanofillers

• Auteur / Autrice : Gildas Coativy
• Direction : Eric Leroy, Denis Lourdin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l’Ingénieur, Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effet mémoire de forme

Polymères

Propriétés thermomécaniques

Matériaux hybrides

Mots clés libres

Bionanocomposite

Extrusion bi-vis

Amidon

Résumé

L’amidon amorphe possède des propriétés de mémoire de forme : une fois déformé à chaud puis refroidi, il peut recouvrer sa forme initiale lors du passage de la transition vitreuse par chauffage ou par absorption d’eau. L’objectif principal de ce travail était d’améliorer les performances mécaniques du matériau lors de la recouvrance de forme. Deux approches ont été étudiées : l’optimisation de la mise en forme du matériau à chaud et l’introduction de nanocharges lamellaires (montmorillonites) dans la matrice par extrusion bi-vis. Le développement de procédés modèles et de méthodes spécifiques de caractérisation, structurale et thermomécanique, a permis l’optimisation de l’élaboration des matériaux et une meilleure compréhension des mécanismes à l’origine de la mémoire de forme et de la contrainte de relaxation. Des composites contenant entre 1 et 10% de nanocharges ont été élaborés à l’aide d’un micromélangeur bi-vis permettant la simulation du procédé d’extrusion. Les meilleurs états de dispersion ont été obtenus sans ajout de surfactant, l’amidon cationique utilisé induisant une agrégation des nanocharges. Les bionanocomposites obtenus présentent une amélioration significative des performances mécaniques sans altération des propriétés de mémoire de forme et avec une amélioration de la contrainte de relaxation. Toutefois un ralentissement de la cinétique de recouvrance de forme est observé, qui pourrait être lié à une modification de la dynamique macromoléculaire en présence des nanocharges, détectée par calorimétrie et par analyse thermomécanique dynamique.

Starch has shape memory properties: after hot forming and quenching, it is able to recover its initial shape by crossing the glass transition, by heating and/or by moisture uptake. The target of the present work is to improve the material’s thermomechanical performances during shape recovery. Two approaches were studied: the optimization of the hot forming process and the introduction of lamellar nanofillers (montmorillonites) in the matrix by twin screw extrusion. Model processes and specific structural and thermomechanical characterization methods allowed optimizing the elaboration process and allowed a better understanding of the shape memory and stress relaxation mechanisms. Composites containing 1 to 10% of nanofillers have been processed using a twin screw microcompounder allowing simulating the extrusion process. The best dispersion states were obtained without addition of a surfactant. Indeed, an aggregation of the nanoparticles was induced by the cationic starch used. The obtained bionanocomposites showed a significant increase of mechanical performances, without decrease of the shape memory properties and with an improvement of the relaxation stress. However, the shape relaxation kinetics appears to be slowed down. This could be related to a modification of the macromolecular dynamics observed in presence of the nanofiller by calorimetry and dynamic mechanical thermal analysis.