Influence of Hevea brasiliensis latex compartments on the storage hardening of natural rubber : study of the mesostructure by AF4-MALS and of the mineral element composition by ICP-MS

Influence des compartiments du latex d'Hevea brasiliensis sur le durcissement au stockage du caoutchouc naturel : étude de la mésostructure par AF4-MALS et de la composition minérale par ICPMS

• Auteur / Autrice : Chalao Thepchalerm
• Direction : Frédéric Bonfils, Charoen Nakason
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie, microbiologie
• Date : Soutenance le 06/05/2014
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro en cotutelle avec Prince of Songkla University
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Agro-Polymères et Technologies Emergentes (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Suda Kiatkamjornwong, Christian Sanchez, Laurent Vaysse, Suwaluk Wisunthorn Pansook
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gaëtane Lespes, Frédéric Peruch

Mots clés

Mots clés libres

Caoutchouc naturel

Fractionnement par couplage flux force

Fff

Durcissement au stockage

Icpms

Natural rubber

Field flow fractionation

Fff

Storage hardening

Icpms

Résumé

Le but de la présente étude était de vérifier l'influence de deux compartiments du latex d'Hevea brasiliensis, les lutoïdes et le sérum C, sur le durcissement au stockage et sur la mésostructure du caoutchouc naturel (NR). L'implication des composants minéraux du latex a fait l'objet d'un focus spécial. La mésostructure du NR a été étudié par fractionnement par couplage flux-force à flux asymétrique couplé à un détecteur à diffusion de lumière multiangulaire (AF4-MALS) et par chromatographie d'exclusion de tailles équipée d'un détecteur de diffusion de lumière multiangulaire (SEC- MALS). La spectrométrie de masse couplée à une torche à plasma (ICP- MS) a été utilisée pour déterminer la composition en éléments minéraux du NR.L'AF4 - MALS et l'ICP-MS n'ayant jamais été utilisées pour l'analyse du NR, les méthodes ont été développées. Pour l'AF4 - MALS, la meilleure séparation entre les deux populations principales, chaînes de polyisoprène isolées (pelote statistique) et les microagrégats (Gel<1μ), a été obtenue avec une diminution linéaire, plutôt qu'exponentielle, du flux croisé. Pour l'ICP-MS, les optimisations réalisées concernent la quantité de NR à échantillonner, la méthodologie de solubilisation des cendres, la concentration des solutions de cendres et la gestion des interférences m/z . Tous les éléments, excepté le soufre, ont été analysés en utilisant un mélange H2/He comme gaz de collision-réaction (mode CCT H2/He). La teneur en soufre a été déterminée par le rapport m/z égal à 48 (32S16O+) en mode CCT O2.Les différents compartiments du latex des champs (crème, skim, sérum C et lutoïdes) ont été séparés par centrifugation à grande vitesse. L'évolution de la mésostructure des films obtenus à partir de ces trois latex; latex des champ (FL), le latex de crème (CL) et de latex de skim (SK), par un procédé de structuration lente (échantillons stockés à température ambiante dans le laboratoire pendant 3 mois) a été suivie par SEC- MALS. Le skim n'étant pas sensible au processus de structuration lente, le nombre des étapes de centrifugation a été réduit. La stabilité des lutoïdes a été étudiée par un paramètre qualitatif (état visuel des lutoïdes après centrifugation) et un paramètre quantitatif (indice d'éclatement ou BI). Bien que les deux méthodes n'aient pas donné de résultats strictement corrélées, le BI peut être un bon indicateur de la stabilité des lutoïdes. Pour les échantillons de FL, une bonne corrélation entre la stabilité des lutoïdes et le durcissement au stockage (P) a été observée. Pour déterminer si des composés du C-sérum étaient également impliqués dans le durcissement au stockage, des expériences supplémentaires ont été effectuées en ajoutant des quantités variables de sérum C ou de lutoïdes à des particules de caoutchouc purifiées. L'augmentation à la fois de les quantités de sérum C et des lutoïdes a entrainé une augmentation du durcissement au stockage (P).La mésostructure des films et des feuilles séchées de l'air (ADS) préparés à partir des FL et CL a été analysée par SEC-MALS et AF4-MALS. Pour les échantillons d'ADS, quelle que soit la technique utilisée, les échantillons de FL présentaient des Mw, Mn et Gel>1μ supérieurs aux échantillons de CL. Cette différence entre échantillons de FL et de CL n'a pas été observée pour les échantillons de films.

The aim of the present work was to study the influence of two Hevea brasiliensis latex compartments, namely lutoids and C-serum, on the storage hardening and on mesostructure of natural rubber (NR). A special focus was done on the involvement of mineral components of latex. The NR mesostructure was studied by asymmetrical flow field-flow fractionation coupled to a multiangular light scattering detector (AF4-MALS) and by size exclusion chromatography equipped with a multiangular light scattering detector (SEC-MALS). Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) was used to determine the mineral element composition of NR.As AF4-MALS and ICP-MS were never used for NR analysis, the methodologies were developed. For AF4-MALS, the best separation between the two main populations, namely isolated polyisoprene chains (random coil) and microaggregates (Gel<1µ) was given by a linear decrease, rather than exponential, of the cross-flow. For ICP-MS, the optimizations were in terms of amount of NR to be sampled, ash solubilisation methodology, ash solutions concentrations and m/z interference management. All elements, except sulfur, were determined using a mixture H2/He as collision-reaction gas (CCT H2/He mode). Sulfur content was determined through the m/z equal to 48 (32S16O+) in the CCT O2 mode.The different compartments of the whole field latex (cream, skim, C-serum and lutoids) were separated by high speed centrifugation. The mesostructure evolution of films obtained from these 3 lattices; whole field latex (FL), cream latex (CL), and skim latex (SK), by a slow structuring process (samples stored at room temperature in the laboratory for 3 months) was followed by SEC-MALS. As it was observed that the skim was not sensitive to the slow structuring, the centrifugation steps were reduced.Lutoid stability was studied by a qualitative parameter (visual lutoid status after centrifugation) and a quantitative parameter (bursting index or BI). Although the two methods could not provide strictly correlated results, BI can be a good indicator of lutoid stability. For the FL samples, a good correlation between the lutoid stability and storage hardening (ΔP) was observed. To determine if some compounds of C-serum are also involved in the storage hardening, additional experiments were done adding variable quantities of C-serum or lutoids to purified rubber particles. The storage hardening (ΔP) increased by the increase of both C-serum and lutoid quantities.The mesostructure of films and air dried sheet (ADS) made from FL and CL lattices (obtained from reduced centrifugation process) were analyzed by SEC-MALS and AF4-MALS. Concerning the ADS samples, whatever the technique used, FL samples exhibited a higher Mw, Mn, and Gel>1µ than CL samples. This difference between FL and CL samples was not observed for film samples. The microaggregates (Gel<1µ) were presented in all samples but the FL samples had more compact microaggregates, with a much higher Mw than the CL samples. Moreover, AF4 showed that the structure of microaggregates was very different between ADS and film samples. The Mw of microaggregates of ADS was 2 to 4 times higher than that of films. The mineral elements were determined only on samples from ADS (FL and CL). The main elements in NR were K, P, Mg, and S, in decreasing order. The purification of rubber particles affected the decrease in the element contents. During the storage of the latex at room temperature, only calcium content decreased, for both FL and CL samples.