Development of Biobased Poly(L-Lactide)/Polyamide Blends with Improved Interfaces and Thermo-Mechanical Properties for High-Performance Applications
Institution:
Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille DouaiDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The major objective of this thesis is to enhance the (thermo)mechanical properties of biobased poly(lactic acid) (PLA) to reach high performance/durable applications. Polymer blending with engineering polymers is an effective approach to improve these properties and polyamides (PA) were selected for blending with PLA due to their inherent high ductilities, high impact toughnesses, high thermal resistances coupled with a potential production from renewable feedstocks. Various biobased polyamides such as polyamide10-10, polyamide10-12, polyamide11 and polyamide12 were blended with PLA in a twin-screw extruder. Thorough characterizations such as morphology, rheology, surface tension, mechanical testing and thermal properties of PLA/PA blends were performed to assess the apt polyamide for PLA. Polyamide12 (PA12) was found to be the ideal candidate for PLA with a low PLA/PA12 interfacial tension, very good PA12 dispersion into PLA and enhanced (thermo)mechanical properties for PLA/PA12 blends compared to other PLA/PA blends (higher ductility and impact strength with significant increase in thermal resistance). To further enhance (thermo)mechanical properties, two different strategies were attempted namely compatibilization with a reactive PLA-graft-maleic anhydride (PLA-g-MA) and optimization of the extrusion processing parameters. In the former classical compatibilization strategy, PLA-g-MA was incorporated as a compatibilizer in PLA/PA12 blends and PLA-g-MA content was optimized with respect to various properties such as morphology and (thermo)mechanical. It was observed that 1 – 2 wt.% PLA-g-MA could induce significant improvements of the PLA/PA12 ductility, impact strength and thermal resistance. The latter strategy involved the optimization of extrusion parameters such as screw speed and feed rate. PLA/PA12 blends were extruded at various screw speeds (200 - 1100rpm) and feed rate (2 - 5kg/hr) on a pilot twin-screw extrusion line. The screw speed has a profound impact on the blend properties. The best (thermo)mechanical properties were archieved for an optimal screw speed of 800 rpm followed by a dramatic deterioration of the blend properties at extreme screw speed. Such effects are discussed based on the generation of fibrillary PA12 structures and PLA macromolecular degradation during high shear extrusion. In conclusion, remarkable improvements in (thermo)mechanical properties were achieved by blending PLA with PA12. Amongst the strategies employed to further enhance the properties, the optimization of extrusion parameters represent a cost-effective approach compared to classical compatibilization. PLA/PA12 blends could be a potential candidate for the replacement of petrosourced counterparts used in high-performance applications, in particular electronic casing applications.
Abstract FR:
L’objectif principal de cette thèse est d’améliorer les propriétés (thermo)mécaniques de l’acide polylactique (PLA) biosourcé pour atteindre des applications hautes performances/durables. Les mélanges avec des polymères techniques sont des approches efficaces pour améliorer ces propriétés et les polyamides (PA) ont été sélectionnés pour être mélangés avec du PLA en raison de leur ductilité élevée, de leur résistance aux chocs élevée, de leurs résistances thermiques élevées associées à une production potentielle à partir de matières premières renouvelables. Divers polyamides biosourcés tels que le polyamide10-10, le polyamide10-12, le polyamide11 et le polyamide12 ont été mélangés avec du PLA par extrusion bivis. Des caractérisations approfondies (morphologie, rhéologie, tension superficielle, tests mécaniques et propriétés thermiques) ont été effectuées sur les mélanges PLA / PA pour évaluer le polyamide le plus approprié pour le PLA. Le polyamide12 (PA12) s’est révélé être le candidat idéal pour les PLA avec une tension interfaciale PLA/PA12 faible, une très bonne dispersion du PA12 dans le PLA et des propriétés (thermo)mécaniques améliorées pour les mélanges PLA / PA12 par rapport aux autres mélanges PLA/PA (ductilité et résistance aux chocs supérieures avec augmentation significative de la résistance thermique). Afin d’améliorer ces propriétés (thermo)mécaniques, deux stratégies différentes ont été tentées, à savoir la compatibilisation avec un PLA greffé anhydride maleique (PLA-g-MA) et l’optimisation des paramètres d’extrusion. Dans la stratégie de compatibilisation classique, le PLA-g-MA a été incorporé en tant que compatibilisant dans les mélanges de PLA/PA12 et la teneur en PLA-g-MA a été optimisée vis-à-vis des diverses propriétés morphologiques et (thermo)mécaniques. Il a été observé que 1 à 2 % de PLA-g-MA induit des améliorations significatives de la ductilité, de la résistance au choc et de la résistance thermique du mélange PLA/PA12. La dernière stratégie implique l’optimisation des paramètres d’extrusion tels que la vitesse de la vis et le débit massique d’alimentation. Les mélanges de PLA/PA12 ont été extrudés à différentes vitesses de vis (200 à 1100 tr/min) et le débit massique d’alimentation (2 à 5kg/h) sur une ligne d’extrusion bivis pilote. La vitesse de la vis a un impact profond sur les propriétés du mélange. Les meilleures propriétés (thermo)mécaniques ont été obtenues pour une vitesse de vis optimale de 800 tr/min suivie d’une détérioration considérable des propriétés du mélange à une vitesse de vis extrême. Ces effets sont discutés en fonction de la génération de structures PA12 fibrillaires et de la dégradation macromoléculaire du PLA au cours de l’extrusion à fort cisaillement. En conclusion, des améliorations remarquables des propriétés (thermo)mécanique ont été obtenues en mélangeant du PLA avec du PA12. Parmi les stratégies utilisées pour améliorer ces propriétés, l’optimisation des paramètres d’extrusion représente une approche rentable par rapport à la compatibilisation classique. Les mélanges de PLA/PA12 pourraient donc constituer des candidats potentiels pour remplacer leurs homologues à base de ressources pétrolières utilisés dans les applications à hautes performances, en particulier les applications de type boîtier électronique.