Intégrer des matières plastiques issues de ressources renouvelables : additivation des biopolyesters

Malgré leurs températures de mise en œuvre plus faibles, les plastiques issus de ressources renouvelables compostables possèdent dans leur ADN une stabilité thermique plus faible. Celle-ci est induite le plus souvent par deux facteurs : le catalyseur et la structure chimique de ces matières.

Le premier facteur est le plus souvent directement géré par le producteur de matières biopolyesters par une complexation du catalyseur, qui lui permet d’incorporer une sélectivité limitant les réactions de dépolymérisation. Néanmoins, il arrive que cette étape ne soit pas industriellement maîtrisée, principalement chez les petits producteurs ou nouveaux entrants sur le marché. Par conséquent, nous vous conseillons de travailler avec les principaux acteurs identifiés. Ceux-ci possèdent aujourd’hui le recul nécessaire pour vous garantir des propriétés stables au cours de votre procédé de transformation.

Le second facteur peut être géré grâce à l’incorporation de stabilisants thermiques secondaires, et plus précisément par des stabilisants ayant des groupements phosphites.

Dans tous les cas, les polyesters compostables tolèrent mal des arrêts de ligne prolongés ; ces arrêts engendrent un jaunissement de la matière et une perte des propriétés rhéologiques.

La rhéologie

Les polyesters compostables possèdent le plus souvent une très forte linéarité de leur squelette macromoléculaire. Par conséquent, ces matières possèdent une faible viscosité à l’état fondu, ce qui les oriente naturellement vers le procédé d’injection. Pour les techniques plus contraignantes en termes de viscosité, choisissez préférentiellement les grades à faibles MFI. Les producteurs fournissent aujourd’hui des grades ayant des MFI de 3 g/10 min (190 °C, 2,16 kg). Néanmoins, ces viscosités sont obtenues pour des grades à haute masse molaire et ne sont pas maîtrisées par l’ensemble des producteurs.

Dans les différents cas où les viscosités ne correspondraient pas à votre application, il existe tout un panel de solutions permettant de maitrîser dans une gamme plus ou moins large les propriétés rhéologiques de ces matières :

• les « meltstrengthenhancers » ;
• les extenseurs de chaîne.

La première catégorie est le plus souvent sur base acrylique et correspond à des polymères à ultra haute masse molaire. Ces très longues chaînes peuvent former des enchevêtrements avec les biopolyesters, permettant d’améliorer significativement la processabilité de ces matières. Ces additifs permettent le plus souvent de régler les problèmes observés en extrusion (de feuilles, par exemple).

La seconde catégorie correspond à de l’extrusion réactive. La stratégie est de faire réagir les bouts de chaînes des biopolyesters sur des additifs possédant plusieurs groupements réactifs sur leur squelette, formant de fait des structures branchées à plus forte viscosité. Ces groupements sont soit de type carbodiimide (non autorisé au contact alimentaire) ou époxyde (toléré au contact alimentaire). Ces additifs permettent de redonner de la viscosité à des polymères de basse masse molaire.

Dans ces deux cas, les additifs sont fournis sous forme de mélanges-maîtres. Attention : le cisaillement doit néanmoins être suffisant pour disperser les mélanges-maîtres lors du processus d’extrusion. Par conséquent les biopolyesters de trop faible viscosité ne permettront pas de disperser et de faire réagir les additifs.

La cristallisation

Les biopolyesters sont des polymères semi-cristallins. Si certains, à l’image du PBS ou du PBAT, cristallisent dans des échelles de temps acceptables par rapport aux référentiels classiques de la plasturgie, il n’en est pas de même pour le PLA et les PHAs.

Le mode de cristallisation du PLA est proche de celui du PET, à savoir que sans étirage, celui-ci reste majoritairement amorphe. En fonction du taux d’étirage (extrusion et thermoformage), cette cristallinité peut varier de 4 à plus de 30 %. Néanmoins, dans la plupart des cas, le PLA restera majoritairement amorphe, notamment en injection. Dans ce cas précis, le PLA ne présente pas de retrait, compliquant l’éjection des pièces plastiques. L’utilisation d’agents nucléants (talcs et/ou phosphonates aromatiques) est alors requise et permet d’augmenter le retrait. Cette incorporation permet également de réduire significativement les temps de cycle, les meilleurs résultats étant obtenus avec des phosphonates aromatiques. Un plastifiant peut également être incorporé afin d’augmenter la mobilité des chaînes de PLA et ainsi accélérer la croissance cristalline. Le plastifiant et l’agent nucléant agissent ainsi en synergie.

Il faut également mentionner le développement de la technologie PDLA qui permet d’augmenter très significativement la cinétique de cristallisation du PLA grâce à la formation d’un complexe stable (stéréocomplexe) entre les chaînes du PDLA et de PLA. Cette technologie est très prometteuse, mais encore en cours de déploiement.

Les PHAs, de par leur nature bactérienne, présentent une très faible densité de nucléation. Dans ce cas précis, cette non-cristallisation se traduit par une matière qui reste très collante lors des processus de transformation. À l’image du PLA, des agents nucléants doivent être utilisés, le plus courant étant le nitrure de bore. Néanmoins celui-ci est très sélectif et ne fonctionne réellement qu’avec des PHB et PHBV à faible taux de comonomère HV. La nucléation des PHAs reste aujourd’hui un challenge.