Développement et promotion des biopolymères à base d'amidon

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Objectif(s)

L'objectif de ce projet dirigé par le Conseil national de recherches du Canada (CNRC) était d'élaborer et de promouvoir l'utilisation des matériaux à base d'amidon pour remplacer les polymères synthétiques à base de pétrole pour les applications à courte durée de vie.

Description

La hausse du coût du pétrole, la sensibilisation aux enjeux environnementaux, et la pression de règlements internationaux en vue de promouvoir les plastiques biodégradables ont tous favorisé le développement de matériaux issus de la biomasse. On peut fabriquer des matériaux à base d'amidon à partir de nombreuses sources facilement accessibles au Canada, notamment le blé et les pois. Parmi les activités du projet se trouvent la sélection des matières premières, la fabrication d'amidon thermoplastique (TPS), la caractérisation de base d'amidons choisis, et l'analyse d'applications potentielles.

Logo de la conférence
internationale Bioplastics organisé
en 2006 et 2007 à Montréal


Travaux d'extrusion au CNRC

Dans la première phase du projet, une première génération de prototypes a été développée. Les matériaux comprenaient de l'amidon, une huile plastifiante (glycérol), et un second polymère utilisé pour contrôler l'hygroscopie du matériau. Des amidons de blé, de pois, et de riz furent évalués en combinaison avec des polymères issus de la biomasse tels le polyacide lactique (PLA), les polyhydroxyalcanoates (PHA) ainsi qu'avec des polymères issus du pétrole tels que le polycaprolactone (PCL) et le copolymère éthylène-vinyl alcool (EVOH). Au cours des dernières années, le PLA est devenu un succès commercial et il est devenu clair dès la fin de la première phase du projet qu'il serait très pertinent d'allouer des efforts importants vers les mélanges TPS/PLA afin d'étendre encore plus la plage d'application du PLA. Le PLA est fait par polymérisation de l'acide lactique, lui-même obtenu par fermentation du dextrose de maïs. Dans la seconde phase du projet, les efforts furent dédiés vers l'optimisation du mélange PLA/TPS. L'équipe de recherche du CNRC fut la première à réaliser avec succès la compatibilisation réactive du mélange par une stratégie de modification interfaciale qui permettait d'abaisser la tension interfaciale et d'augmenter l'adhésion entre le TPS et le PLA. Une synergie qui résultait en une élongation à la rupture élevée fut découverte. L'élongation à la rupture est une mesure de la ductilité des matériaux qui est relativement basse pour le PLA pur. Ces découvertes furent publiées dans le réputé journal scientifique Polymer en janvier 2007. La prochaine phase du travail fut dédiée à la mise en forme de ces matériaux afin de produire divers prototypes. Les mélanges furent moulés par injection-moulage afin de vérifier s'ils pouvaient être utilisés dans la fabrication d'objets courants en plastique. Ils furent extrudés sous forme de pellicules minces et bi-étirés afin de vérifier leur potentiel comme pellicule d'emballage. Ils furent moussés à l'aide du dioxyde de carbone (CO₂) comme agent moussant afin d'évaluer leur potentiel dans le remplacement des mousses de polystyrène. Dans tous ces cas, les propriétés et les détails microstructuraux de ces prototypes furent examinés avec soin et publiés dans des journaux scientifiques d'impact. Les recherches en cours portent sur la réalisation de pellicules multi-couches contenant une couche centrale riche en amidon, sur le développement d'une famille PHA/TPS ainsi que sur le renforcement des mélanges à base d'amidon avec de l'argile. Dans les recherches dirigées par Agriculture et Agroalimentaire Canada (AAC), le renforcement de l'amidon thermoplastique avec des nanotubes de carbone et des nanocristaux issus du chanvre a été investigué en plus des propriétés de mélanges d'amidon thermoplastique et de polyuréthane. Les travaux ont aussi été publiés dans des journaux scientifiques avec comité de lecture. À l'École Polytechnique, des travaux sur les mécanismes fondamentaux reliés à la rupture dans les matériaux à base d'amidon ont été effectués.

Réalisations notables

Les matériaux à base d'amidon ont un impact environnemental réduit par rapport aux polymères issus du pétrole. Les résultats du projet indiquent que plusieurs types d'amidon peuvent être utilisés pour la fabrication de matériaux qui pourront ensuite être mis sous forme de produits moulés ou extrudés. Une première génération de matériaux à base d'amidon de blé et de pois a été réalisée. Plusieurs prototypes de pellicules, feuilles et d'objets moulés ont été produits avec succès en utilisant de l'équipement conventionnel de mise en forme des plastiques afin de démontrer la faisabilité et le potentiel de ces matériaux pour la fabrication de biens de consommation. En termes de diffusion, les résultats de ce projet supporté par le programme RCIB aura mené à 10 publications dans des journaux scientifiques internationaux et à une vingtaine de présentations en conférences internationales. De plus, le domaine des bioplastiques a aussi été promu via l'organisation de deux symposia internationaux organisés à Montréal en 2006 et 2007. Ces évènements ont attiré des spécialistes des matériaux et des représentants de l'industrie provenant d'une vingtaine de pays.

Contrôles non modifiés
30% TPS / 70% PLA

Après compatibilisation réactive
30% TPS / 70% PLA

Contrôles non modifiés
60% TPS / 40% PLA

Après compatibilisation réactive
60% TPS / 40% PLA

Micrographies électroniques de mélanges d'amidon TPS et de PLA avant et après l'utilisation de la technique de compatibilisation réactive développée au CNRC. L'amidon a été enlevé par dissolution avant l'observation; il est donc représenté par les zones sombres sur les micrographies. La réduction de la taille de la phase dispersée et l'homogénéité des mélanges sont des facteurs primordiaux dans l'obtention de mélanges polymères ayant de bonnes propriétés mécaniques