Élaboration de mousses biopolymères par procédés assistés par CO2 supercritique

Development of biopolymer foams by supercritical CO2 assisted processes

• Auteur / Autrice : Jennifer Andrea Villamil Jiménez
• Direction : Fabienne Espitalier, Jean-Charles Bénézet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 12/01/2023
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (Albi ; 2012-....) - PCH Polymères, composites, hybrides - Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE
• Jury : Président / Présidente : Michel Dumon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabienne Espitalier, Jean-Charles Bénézet, Sulamith Frerich, Tatiana Budtova, Yvan Chalamet, Martial Sauceau, Nicolas Le Moigne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sulamith Frerich, Tatiana Budtova

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acide polylactique

Procédés discontinus

Composites

Dioxyde de carbone supercritique

Mousse (chimie)

Mots clés libres

Moussage

CO2 supercritique

Biocomposite

Extrusion

Batch

Foaming

Supercritical CO2

Biocomposite

Extrusion

Batch

Résumé

L'acide polylactique (PLA) est un biopolymère disponible dans le commerce qui suscite un grand intérêt dans divers domaines industriels, notamment pour la production de mousses polymères. Avec l'essor des technologies qui cherchent à réduire l'impact environnemental des procédés, les agents moussants chimiques sont remplacés par des agents physiques, principalement des fluides supercritiques (FSC) comme le dioxyde carbone (sc-CO2). Actuellement, la production de masse de mousses PLA à faible densité avec une morphologie microcellulaire uniforme en utilisant des FSC comme agents moussant est un défi. Ceci est principalement dû à la faible résistance à l'état fondu du PLA et à sa cinétique de cristallisation lente. Parmi les différentes options pour améliorer les caractéristiques du PLA, le combiner avec différents types de charges a un grand potentiel pour améliorer le moussage mais également les performances des composites finaux. De plus, les conditions opératoires et les caractéristiques des charges telles que leur taille, leur rapport d'aspect et leur chimie de surface jouent un rôle important dans la morphologie finale de la mousse. Dans ce contexte, ce travail s'est intéressé à la fabrication de mousses composites à partir de PLA et de fibres de cellulose en utilisant le CO2 supercritique (sc-CO2) comme agent moussant. Une première partie du travail a été consacrée à la formulation des composites et à l'étude de leurs propriétés, notamment l'effet des fibres sur la cristallinité. Ces composites ont ensuite été moussés par un procédé discontinu et un procédé continu d'extrusion assistée par sc-CO2. L'effet de la teneur en cellulose et du rapport d'aspect (longueur/diamètre) sur la cinétique de solidification et de cristallisation du PLA a été étudié. Ces résultats sont utilisés comme un moyen de comprendre la morphologie et les caractéristiques des mousses composites de PLA-cellulose produites.

Polylactic acid (PLA) is a commercially available biopolymer that is of great interest in various industrial fields, especially for the production of polymer foams. With the development of technologies that seek to reduce the environmental impact of processes, chemical foaming agents are being replaced by physical agents, mainly supercritical fluids (SCF) such as carbon dioxide (sc-CO2). Currently, the mass production of low-density PLA foams with uniform microcellular morphology using SCFs as foaming agents is a challenge. This is mainly due to the low melt strength of PLA and its slow crystallisation kinetics. Among the different options to improve the characteristics of PLA, combining it with different types of fillers has great potential to improve the foaming but also the performance of the final composites. Moreover, the operating conditions and the characteristics of the fillers such as their size, aspect ratio, and surface chemistry play an important role in the final foam morphology. In this context, this work focused on the fabrication of composite foams from PLA and cellulose fibres usingsupercritical CO2 (sc-CO2) as foaming agent. The first part of the work was devoted to the formulation of the composites and the study of their properties, in particular the effect of the fibres on crystallinity. These composites were then foamed by a batch process and a continuous sc-CO2 assisted extrusion process. The effect of cellulose content and aspect ratio (length/diameter) on the solidification and crystallisation kinetics of PLA was studied. These results are used as a means of understanding the morphology and characteristics of the PLA-cellulose composite foams produced.