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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE ABOUBEKR BELKAID - TLEMCEN Mémoire Présenté à : FACULTE DES SCIENCES – DEPARTEMENT DE PHYSIQUE Pour l’obtention du diplôme de : Master en Physique Spécialité : Physique des polymères Par : BELOUFA Abdelmonaim Sur le thème Soutenu publiquement le 9 Juillet 2019 à Tlemcen devant le jury composé de Mr MECHERNENE Lahcene Professeur Université de Tlemcen Président Mme ZAIR Latifa MCB Université de Tlemcen Examinateur Mr BERRAYAH Abdelkader Professeur Université d’ Tlemcen Encadreur Laboratoire de Recherche sur les Macromolécules LRM, nouveau Pole Mansourah. Amélioration des propriétés thermomécaniques des biopolymères à base de poly(acide lactique) PLA et de poly(butylène succinate) PBS REMERCIEMENT Ce travail a été réalisé au laboratoire de Recherche sur les Macromolécules( LRM), au département de physique, faculté des sciences, Université ABOU-BEKR BELKAID - TLEMCEN Nous remercions tout d’abord ALLAH le tout puissant de nous avoir donné la force et la volonté pour mener à bien ce travail. En premier lieu, je tiens à remercier très vivement mon encadreur Monsieur BERRAYAH ABDELKADER, pour son soutien, sa disponibilité et son implication tout au long de ce travail. En particulier, je lui sais gré de la confiance qu’il m’a toujours témoignée, de ses qualités humaines et de sa bonne humeur communicative. J remercie vivement le Professeur MECHERNENE Lahcene de nous avoir honorés en acceptant de présider le jury et d’avoir pris le temps de lire ce travail. J’adresse mes sincères remercîments à Mme ZAIR Latifa Maître de Conférences pour l’honneur qu’elle m’a fait pour avoir accepté d’examiner ce travail. J’exprime ma profonde gratitude et mes sincères remerciements à Melle ZENNAKI Assia pour le soutien qu’elle m’a témoigné tout au long de cette étude. Je tiens à adresser mes vifs remerciements à l’ingénieur du laboratoire « Macromolécule », Monsieur BENABDELLAH Sid Ahmed, pour son aide et ses orientations. Je tiens à remercier tous les enseignants, qui ont assuré notre formation durant notre cycle universitaire. Finalement, il m’est particulièrement agréable d’exprimer ici ma reconnaissance envers mes familles respectives dont le soutien a été essentiel tout au long de mes études ainsi qu’à tous ceux qui ont contribué, de près ou de loin, à la réalisation de ce travail. Table des matières INTRODUCTION GENERALE ................................................................................................. 1 I. LES POLYMERES BIODEGRADABLES ......................................................................... 4 I.1 Production des polymères biodégradables ........................................................................ 5 I.2. Classification des polymères biodégradables. .................................................................. 6 I.2.1 Bioplastiques issus de ressources fossiles .................................................................... 6 I.2.2 Bioplastiques provenant de ressources renouvelables ............................................... 6 II. POLYACIDE LACTIQUE(PLA) ......................................................................................... 7 II. 1 Propriétés thermomécaniques du PLA ........................................................................... 8 II. 1.1 Propriétés mécaniques ................................................................................................ 9 II. 2.1 Propriétés thermiques .................................................................................................. 9 III -LE POLY(BUTYLENE SUCCINATE)(PBS) .................................................................. 10 III.1 Propriétés thermomécaniques du PBS ......................................................................... 10 III.1.1 Propriétés thermiques ............................................................................................... 10 III.1.2 Propriétés mécaniques .............................................................................................. 11 III .2. Allongeurs de chaînes ................................................................................................... 11 IV. LE MELANGE DES POLYMERES ................................................................................. 12 IV. 1 Stratégies d’élaboration des mélanges polymériques ................................................. 12 IV.1.1 Mélange à l’état fondu ............................................................................................... 13 IV.1.2 Mélange en solution .................................................................................................. 13 IV.2. Compatibilité et miscibilité des Mélanges ................................................................... 13 IV.2.1 Les mélanges miscibles .............................................................................................. 13 IV.2.2 Les mélanges non miscibles ...................................................................................... 13 IV. 2.3 Les mélanges compatibles ........................................................................................ 13 IV. 2.4 Mélanges de polymères totalement incompatibles .................................................. 13 IV. 3 Mélanges PLA/PBS ........................................................................................................ 14 V. APPLICATIONS DU PLA ................................................................................................. 14 CHAPITRE 2 : MATERIAUX ET METHODES ................................................................... 17 I. INTRODUCTION ................................................................................................................... 18 II. MATERIAUX UTILISES ..................................................................................................... 18 II.1.Le Polyacide lactique (PLA) ............................................................................................ 18 II. 2.Le poly(butylène succinate)(PBS) .................................................................................. 19 III. TECHNIQUES DE CARACTERISATION ...................................................................... 23 III.1. Analyses calorimétriques .................................................................................................. 23 III. 2. Analyse mécanique dynamique(DMA) ....................................................................... 25 III. 2.1.Test dynamique ......................................................................................................... 25 III. 2.2. Test de traction ........................................................................................................ 26 III.3. Caractérisation rhéologiques ........................................................................................ 27 III. 4. Spectroscopie Infrarouge à transformée de Fourier(IR-TF) ................................... 29 CHAPITRE 3 : RESULTATS ET DISCUSSIONS ................................................................. 31 I. INTRODUCTION ................................................................................................................... 32 II. SPECTROSCOPIE INFRAROUGE A TRANSFORMEE DE FOURIER(IRTF)….... 32 III. ETUDE DES PROPRIETES RHEOLOGIQUES DES MELANGES ........................ 34 III.1 Balayage en déformation ............................................................................................ 34 III.2 Stabilité thermique………………………………………….……………………..37 III.3 Balayage en fréquence......................................................................................40 IV. PROPRIETES THERMIQUES .......................................................................................... 42 V. PROPRIETE MECANIQUE ET DYNAMIQUE ........................................................ 45 V.1.Teste dynamique ............................................................................................................... 45 V.2. Test de traction ................................................................................................................ 48 Conclusion générales et perspecives ........................................................................................... 51 LISTE DES FIGURES Figure I.1. Mécanisme de biodégradation des polymères ............................................................ 5 Figure I.2. Classification des bioplastiques basés sur leurs gammes de production .................... 7 Figure I.3. Structure de polylactide PLA....................................................................................... 8 Figure I.4.Structure des isomères de l’acide lactique ................................................................... 8 Figure I.5. Structure du poly(butylène succinate) PBS ............................................................... 10 Figure I.6. Film biopolymère d’emballage alimentaire ............................................................... 14 Figure I.7. Filament d’imprimante 3D à base de PLA et ABS. .................................................. 15 Figure I.8. Lin de fibre tissé avec matrice PLA, PP et PA .......................................................... 15 Figure II.1.PLA en granulée ………………………………………………..…………………18 Figure II.2.Formule chimique du(PBSu-DCH)……………………………………..………….19 Figure II.3. PBS en granulée ....................................................................................................... 20 Figure II.4.(a) Moule utilisé pour l’élaboration des échantillons, (b) mélange PLA/PBS fondu ............................................................................................................................................. 21 Figure II.5. (a)Transition thermique dans les polymères, (b) Principe de l’analyse enthalpique différentielle d’un polymère. ........................................................................................................ 22 Figure II.6.DSC Q2000 de la société TA Instruments (LRM). .................................................. 23 Figure II.7.(a) DMA Q800 TA instrement, (b) mors (tension-Film) (LRM) .............................. 26 Figure II.8. Aspect d’éprouvettes de traction après l’essai mécanique……………..…...……..27 Figure II.9.Rhéomètre dyscovery TA instrement ,mode plan-plan (LRM) ................................ 28 Figure II.10.Cary 640 FT (LRM) ................................................................................................ 30 Figure III.1. Spectres infrarouges du PLA pur, du PBS pur ....................................................... 32 Figure III.2. Spectres infrarouges des différentes mélanges 90/10, 80/20 ,50/50. ..................... 33 Figure III.3.Module de stockage G’ des mélanges PLA/PBS en fonction de la déformation à180 °C. ........................................................................................................................................ 35 Figure III.4.Module de perte G’’ des mélange PLA/PBS en fonction de la déformation à180 °C ......................................................................................................................................... 36 Figure III.5.Viscosité complexe des différents mélanges PLA/PBS en fonction du temps ....... 37 Figure III.6.Evolution de module dynamique et la viscosité complexe en fonction de la fréquence ............................................................................................................................. 40 Figure III.7.Evolution de la viscosité complexe en fonction de la fréquence angulaire............. 42 Figure III.8.Thermogrammes de mélanges PLA/PBS de différentes compositions obtenus .... 43 Figure III.9.Evolution du module dynamique G’ et G’’en fonction de la température…...….45 Figure III.10.Tangente de perte du de mélanges PLA/PBS de différentes compositions..........47 Figure III.11.Courbes de traction des mélanges PLA/PBS à une vitesse de force10N/mi…....49 Figure III.12.Module de Young en foction de la composition en PBS pour les mélanges(PLA/PBS)…...............................................................................................................50 LISTE DES TABLEAUX Tableau I.1.Comparaison des propriétés mécaniques du PLLA, du PS et du PET .................................. 9 Tableau I.2. Comparaison des propriétés mécaniques du PBS avec d’autres polyesters et les polyoléfines ............................................................................................................................................... 11 Tableau II.1. Propriétés physiques de PLA ............................................................................................. 19 Tableau II.2.Principales caractéristiques du PBS .................................................................................. 20 Tableau III.1.Propriétés thermiques des mélanges PLA/PBS……………………………………………………………..43 Tableau III.2.Température de transition vitreuse au alentour du PLA et PBS pour les différents mélanges.. ................................................................................................................................................. 47 Tableau III.3.Module de Young des mélanges (PLA/PBS) pour les température 35°C, 80°C et 100°C. ................................................................................................................................................... 48 INTRODUCTION GENERALE 1 INTRODUCTION GENERALE Ces dernières années, la pollution de l'environnement est devenue une préoccupation majeure en raison du fort impact des déchets plastiques utilisés quotidiennement. L'une des solutions possibles à ce problème consiste à remplacer les polymères synthétiques courants par des polymères biodégradables qui sont facilement sensibles à l'action microbienne. La première génération de matériaux biodégradables consistait en des mélanges de polymères avec des sources alimentaires naturelles telles que l'amidon. La deuxième génération s'est concentrée sur l'insertion de groupes fonctionnels tels que des liaisons ester sur le squelette polymère. La troisième étape est la mise au point de matériaux tels que le Polyacide lactique (PLA), synthétisé naturellement par des bactéries développées par fermentation qui peuvent être considérées comme véritablement biodégradables et écologiques après leur compostage [1]. Du fait des développements technologiques et des optimisations en terme de procédé, le PLA est aujourd’hui disponible pour les marchés de grande diffusion comme l’emballage, les objets mono-usages, les fibres, etc.[2]. De nouveaux développements, en termes de produits, sont en cours et devraient permettre, l’utilisation du PLA pour remplacer les matières plastiques pétrochimiques. Le PLA est biorenouvelable, biodégradable et composable ce qui permet une réduction de la dépendance au pétrole et une diminution du volume de déchets enfouis. Le PLA est un polymère avec des propriétés très intéressantes, néanmoins, il reste fragile (matériau rigide et cassant), facilement thermo-dégradable et cristallise lentement. Pour pallier à ces lacunes, il est possible de l’associer à un autre polymère de préférence biodégradable afin d’améliorer ses propriétés. Les différentes voies de modification du PLA sont le mélange et la modification chimique avec pour principale contrainte, la conservation de la biodégradabilité et, dans la mesure du possible, de la biosourçabilité de l’ensemble. D’autres voies d’amélioration du PLA ont été étudiées, dans la littérature, concernant en particulier sa tenue au choc et son élongation (et ce sans perte trop importante de son module). On retient principalement la plastification, la modification de la structure chimique (copolymérisation …) et l’additivation. Le poly-butylène-succinate (PBS), qui est un polyester aliphatique biodégradable produit par la réaction de polycondensation du 1,4-butanediol avec de l’acide succinique [3], est souvent mélangé au PLA pour remédier à différentes lacunes de résistances. Il présente une grande flexibilité, 2 une excellente résistance aux chocs et une bonne résistance thermique et chimique [4]. uploads/Geographie/ amelioration-des-proprieter-thermomecanique-des-biopolymeres.pdf