Biokunststoff Polylactid – Plus de ductilité grâce à l'ajout de gluten

Fig. 2 : Bobines de fil moulées par injection (colorées en jaune) en PLA_6202/GN_40 (60/40 w/w)

Polylactide (PLA) est un polyester fabriqué à partir de sucre par un processus à plusieurs étapes. Le sucre est fermenté en acide lactique, puis polymérisé en PLA. Le plastique biosourcé et biodégradable PLA possède une résistance très élevée allant jusqu'à 70 MPa ainsi qu'une rigidité extrême pouvant atteindre 6 GPa, mais sans une addition appropriée, il est fragile, ce qui limite fortement ses applications possibles. Les mesures actuelles pour augmenter la déformabilité plastique et donc la ténacité concernent principalement le mélange de PLA avec des polymères élastiques résistants à la dégradation, à base de matières premières pétrochimiques, tels que les polyuréthanes thermoplastiques ou les copolymères d'éthylène.

Dans le cadre du projet collaboratif financé par le BMWi, GLUPLAST, il a été possible au KUZ, en collaboration avec le partenaire industriel CompraXX GmbH, de réaliser une modification de la ténacité à l’impact du bioplastique PLA à l’aide de la matière naturelle gluten de blé. Le projet visait à exploiter la tendance à la réticulation du gluten lors du traitement thermique pour créer une phase d’élastomère réticulée, qui, après préparation du mélange à l’aide d’un extrudeur à deux vis, est finement dispersée dans la matrice de PLA et, grâce à une bonne adhérence, conduit à une augmentation significative de la ténacité du matériau de base PLA.

Influence sur la réticulation du gluten

La réticulation du gluten commence déjà à environ 80 °C. Les mélanges de PLA contenant du gluten, préparés à 160 °C, ont d’abord montré un degré de fragmentation insuffisant de la phase de gluten, ce qui a empêché la formation d’un réseau dense et rapide dû à la température, réduisant la taille des phases et empêchant une distribution fine. La ductilité en rupture (environ 1,4 %) et la ténacité à l’impact (environ 1,5 kJ/m²) étaient nettement inférieures au niveau du PLA.

Pour obtenir une distribution plus fine de la phase de gluten dans la matrice de PLA, le KUZ a poursuivi deux approches :

1. Suppression temporaire du réseau par l’ajout d’additifs chimiques,
2. Atténuation du réseau par dilution du gluten de blé avec de la farine.

Matériaux pour la génération de mélanges polymères contenant du gluten

Matériaux utilisés :

1. Bioplastiques :
PLA Ingeo 6202D, PLA Ingeo 3001D, mélange de PLA Bioflex 6514 (référence),
2. Matières naturelles contenant du gluten (GN) :
Gluten de blé (teneur en protéines d’environ 85 ma %, GN_85), Farine de blé (GN_10), Mélange de farine de gluten (GN_40),
3. Plastifiants :
Glycérine (GL),
4. Agents de couplage (et de réduction de viscosité) :
Acide oxalique (OA),
5. Réducteurs, antioxydants, agents de piégeage (RAT) :
Hydrogénosulfite de sodium (NHS), Acide acétylsalicylique (ASS), L-Cystéine (LC).

Influence positive sur la mécanique du matériau

La modification de la ténacité à l’impact du polylactide (PLA) à l’aide de matières naturelles contenant du gluten (GN), visée dans le projet GLUPLAST, a pu être réalisée. Pour la modification, un PLA avec une ductilité en rupture d’environ 3,5 % et une ténacité à l’impact d’environ 2 kJ/m² a été sélectionné. L’ajout de GN au PLA a permis d’améliorer positivement la ductilité (jusqu’à 30 %) et la ténacité à l’impact (4 kJ/m²). Ces valeurs dépassaient nettement celles du PLA. De même, la mécanique du mélange montre une forte dépendance de la teneur en protéines de la phase GN (voir figure 1).

Une distribution plus fine du GN dans la matrice de PLA a été obtenue, d’une part, en réduisant la teneur en protéines du GN et, d’autre part, en ajoutant des additifs chimiques (RAT), tels que l’hydrogénosulfite de sodium, la L-Cystéine et l’acide acétylsalicylique. Une amélioration notable de l’adhérence entre phases et, par conséquent, de la mécanique du mélange de PLA, a été réalisée par l’ajout d’acide oxalique au GN. La teneur en gluten dans le mélange était préférentiellement de 40 ma %. La mécanique du matériau obtenue dans le cadre du projet a été évaluée positivement par les partenaires.

Tests matériels réussis dans le procédé d’injection

Les mélanges de gluten peuvent être traités sans problème dans le procédé d’injection, voir la figure 2. La coloration brune du matériau, due à la réaction de Maillard, qui augmente avec la teneur en protéines de la phase naturelle, peut être dissimulée par l’ajout d’un colorant.

La commercialisation des résultats de la recherche est poursuivie par le partenaire industriel CompraXX GmbH. Au cours du projet, CompraXX GmbH a réussi à transférer efficacement les résultats du laboratoire à l’échelle pilote. La combinaison de PLA avec du gluten de blé offre des propriétés matérielles intéressantes, permettant par exemple des applications innovantes dans le domaine des articles ménagers et de bureau.