Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Polyesters biosourcés et biodégradables“

Les recherches de catalyseurs pour la synthèse de nouveaux (co)polymères biosourcés et biodégradables ont conduit à l’émergence de nouvelles familles de complexes (salens, guanidines, phénoxy-imines...) ainsi qu’à une meilleure compréhension de leur mode de fonctionnement.Les travaux présentés dans ce manuscrit ont ainsi porté sur l’utilisation de nouvelles familles de complexes polyazotés π-conjugués phénoxy-amidines (FA) et biguanides pour la synthèse par ROP de polyesters biosourcés et biodégradables.L’implémentation de cette thématique dans notre équipe de rercherche ainsi que la mise en évidence du comportement unique et particulier de ces nouveaux catalyseurs sont présentées dans ce manuscrit.Dans un premier temps, les synthèses de nouveaux complexes phénoxy-amidines et phénoxy-imines analogues ont été réalisées. Une étude en ROP du lactide a d’abord été menée avec des complexes de zinc et d’aluminium FA. Certains de ces complexes se sont révélés capables de produire du PLA en utilisant des monomères de qualité industrielle contaminés par des quantités importantes d’acide lactique. Une étude comparative menée avec les complexes phénoxy-imines (FI) a montré que les complexes ne fonctionnent pas dans ces conditions plus dures.Les complexes de zinc porteurs de ligand bis(phénoxy-amidine) (FAlen), ont montré les activités en ROP du lactide les plus élevées alors que leurs analogues salen ne catalysent pas cette réaction de polymérisation.Des tests ont également été réalisés en ROP du lactide et de la butyrolactone avec de nouveaux catalyseurs biguanides mono- et bimétalliques zinc et aluminium. Le catalyseur de zinc biguanide monométallique a conduit à la meilleure activité jamais décrite pour un système monométallique de zinc
Research on catalysts for the synthesis of bio based and biodegradable (co)polymers has led to the emergence of new families of catalysts (salens, guanidines, phenoxy imines...) and a better understanding of their behavior. The work presented in this manuscript focuses on using new π-donors phenoxy amidines (FA) and biguanides complexes for the ROP of biobased and biodegradable polyesters.The implementation of this theme at the Dijon site, along with highlighting the unique and specific behavior of these new complexes, is presented in this manuscript.Initially, the synthesis of new FA and analogous phenoxy-imines complexes was carried out. Some of these complexes have been shown to produce polylactic acid (PLA) using industrial-grade monomers contaminated with significant quantities of lactic acid. A comparative study conducted with the parent phe-noxy-imine (FI) complexes, showed that they do not work under these degraded conditions. Zinc complexes with bis(phenoxy-amidine) ligands (FAlen) showed the highest activity in ROP of lactide, whereas their salen analogs do not catalyze this polymerization reaction.Tests were conducted on lactide and butyrolactone ROP using new mono- and bimetallic zinc and aluminum biguanide catalysts. The zinc biguanide catalyst produced the highest lactide ROP activity ever reported for a monometallic system

La diminution des ressources fossiles et la prise de conscience collective de l’impact des déchets plastiques sur l’environnement nécessitent la recherche d’alternatives possibles aux polymères issus du pétrole, avec une empreinte carbone et des risques environnementaux réduits. C’est pourquoi les polyesters biosourcés et/ou biodégradables ont attiré l’attention des chercheurs universitaires et des industriels. Cette thèse se concentre sur la caractérisation thermique des copolyesters à base d'acides gras hydroxylés, qui sont extraits des déchets agricoles de tomate, et de poly (alkylene trans-1,4-cyclohexanedicarboxylate) (PCHs), qui sont des matériaux biodégradables et potentiellement biosourcés avec d'intéressantes propriétés barrières. Cette thèse montre que les deux systèmes ont des vitesses de cristallisation élevées et forment des microstructures complexes impliquant plusieurs polymorphes avec une forte densité de petites sphérulites. La microstructure dépend des conditions de traitement (vitesse de refroidissement depuis le fondu, température de cristallisation) et de la nature chimique du matériau (densité de réticulation pour les acides gras hydroxylés et longueur de la chaîne alkyle dans la chaîne principale de l'unité répétitive pour les PCHs). La réticulation réduit la mobilité des chaînes macromoléculaires et inhibe la cristallisation, tandis que la longueur de la chaîne alkyle induit un effet pair-impair avec des conséquences sur les températures de fusion et de cristallisation, sur le couplage entre les phases amorphe et cristalline, sur l'indice de fragilité et sur l'aptitude à former un verre
The decline of fossil resources and the raise of collective awareness about the impact of plastic waste on the environment impose to look for possible alternatives to petroleum-based polymers with reduced carbon footprint and environmental risks. For this reason, bio-sourced and/or biodegradable polyesters have attracted much attention from both academic researchers and industrials. This thesis focuses on the thermal characterization of co-polyesters based on hydroxy-fatty acids, which are extracted from tomato-peel agro-wastes, and poly (alkylene trans-1,4-cyclohexanedicarboxylate) (PCHs), which are biodegradable and potentially biobased materials with interesting barrier properties. This thesis shows that both systems have high crystallization rates and form complex microstructures involving several polymorphs with a high density of small spherulites. The microstructure depends on the processing conditions (cooling rate from the melt, crystallization temperature) and on the chemical nature of the material (crosslinking density for the hydroxy-fatty acids, and alkyl chain length within the main structure of the repeating unit for the PCHs). Crosslinking reduces the mobility of the macromolecular chains and inhibits crystallization, whereas the alkyl chain length induces an odd-even effect with consequences on the melting and crystallization temperatures, on the coupling between the amorphous and crystalline phases, on the fragility index and on the glass-forming ability

Des produits de consommation de première nécessité aux produits les plus fortuits, l'emballage, en particulier plastique, constitue aujourd'hui un élément indispensable de notre vie quotidienne. Son utilisation intensive dans le domaine agroalimentaire pour un usage unique à courte durée de vie incite aujourd'hui à s'orienter vers de nouveaux matériaux d'origine renouvelable et biodégradables, aux caractéristiques similaires que leurs homologues issus des ressources fossiles. Les mélanges à base de biopolymères et de biopolyesters peuvent être une bonne alternative. Dans ce présent travail de thèse, des mélanges de farine de blé, thermoplastifiée par du glycérol et de l'eau, et des polyesters biosourcés et biodégradables tels que le PLA et/ou le PHB ont été obtenus par extrusion bivis et moulés par injection thermoplastique. Les caractéristiques thermiques, thermomécaniques dynamiques, morphologiques, mécaniques et barrières de ces nouveaux matériaux ont été étudiés. De l'acide citrique a été utilisé comme agent de compatibilisant pour améliorer l'interface amidon/PLA. Les différentes investigations nous ont permis de mettre au point différents types de formulations aux caractéristiques mécaniques et barrières à la vapeur d'eau intéressantes pour la fabrication de corps de barquettes d'emballage alimentaire de denrées périssables comme la viande ou les fromages. L'aptitude au contact alimentaire des matériaux farine thermoplastifiée/polyester et l'impact de l'incorporation des polyesters sur la biodégradabilité de ces matériaux ont également été étudiés
From basic and essential to unnecessary and optional consumer products, packaging, particularly plastic, is today an indispensable part of our daily life. Its extensive use in the food industry for a single use and for a short shelf-life encourages us today to move towards new renewable and biodegradable materials with similar characteristics than their counterparts from fossil resources. Biopolymers and biopolyesters blends can be a good alternative. Within the framework of this present work, wheat flour, thermoplasticised by glycerol and water, and biobased and biodegradable polyesters such as PLA and/or PHB, were blended using an industrial twin screw extruder and were injection-molded into thermoplastic materials. Thermal, dynamic thermomechanical, morphological, mechanical and barriers properties of these new materials were studied. Citric acid was used as a compatibilizer to improve the interface starch/PLA. The different investigations have allowed us to develop various types of formulations, with mechanical characteristics and barrier properties to water vapor, very attractive for manufacturing plastic food packaging which can be used for meats or cheeses. Food contact suitability and biodegradability of thermoplasticised wheat flour/polyester materials have also studied

Dans le contexte de développement durable actuel, les matériaux biosourcés et biodégradables commencent à prendre une place importante d’un point de vue économique et écologique. L’objectif de remplacer les polyoléfines utilisées actuellement dans des domaines clés tels que l’emballage et l’automobile est cependant difficile car les matériaux « verts » sont rarement aussi performants. Ils présentent en général des lacunes au niveau de leurs propriétés mécaniques et sont sensibles à des dégradations qui limitent leur durée de vie. Le poly(butylène succinate) est un polyester connu depuis longtemps mais qui regagne de l’intérêt grâce à son potentiel biosourcé et biodégradable ainsi que ses propriétés mécaniques proches de celles des polyoléfines. Néanmoins, sa rigidité est encore trop faible et sa sensibilité importante à l’hydrolyse limite son utilisation dans le temps, même dans des conditions standards de température et d’humidité. Des améliorations de la stabilité du PBS sont possibles et plusieurs solutions ont été envisagées. L’intérêt s’est porté sur la modification de la balance hydrophile/hydrophobe du PBS par l’ajout d’un comonomère ramifié très hydrophobe, le Pripol 1009 ou possédant un cycle aromatique, l’acide téréphtalique. L’addition de charges dans le matériau peut également s’avérer efficace pour neutraliser les fins de chaines acides catalysant la dégradation, en utilisant du carbonate de calcium, ou pour limiter la perméabilité du matériau, par incorporation de talc. Dans l’optique de moduler les propriétés mécaniques du PBS, la voie de modification la plus fructueuse est le mélange par incorporation de charges minérales, comme le carbonate de calcium ou le talc, ou le mélange avec d’autres polyesters possédant une rigidité plus importante, tels que le poly(acide lactique) ou le poly(butylène téréphtalate). Les mélanges doivent présenter une bonne compatibilité et être mis en œuvre à des températures convenables pour limiter la dégradation du PBS et conserver la ductilité du matériau final, comme c’est le cas des mélanges PBS/PLA. Des combinaisons ont également été envisagées entre les différentes solutions efficaces pour améliorer à la fois les propriétés mécaniques et la stabilité face à l’hydrolyse chimique
Within the frame of sustainable development, biobased and biodegradable polymers are going to play an important role according to economic and environmental perspectives. The polyolefins currently used in packaging and automotive industries will be replaced by biomaterials. The poly(butylene succinate), an “old” aliphatic polyester, has recently regained interest thanks to its biobased and biodegradable potential and mechanical properties similar to polyolefins. However, this polyester is very sensitive to degradation even at mild ambient conditions and, even though its flexibility is comparable to polyethylene or polypropylene, its modulus is too low. Some modifications of the chemical structure were considered to improve the long-term use of PBS. The synthesis of random copolymers using long-chain fatty acid Pripol 1009 or terephthalic acid allows to reduce significantly the hydrolysis rate and properties are maintained during a longer time. The incorporation of fillers like calcium carbonate and talc also enhance the PBS stability. The addition of calcium carbonate neutralizes carboxyl terminal group, which play an autocatalytic role in the hydrolytic degradation. High aspect ratio of talc increases the gas and liquid diffusion path, reducing permeability and providing better barrier properties to the material. In order to improve Young’s modulus, formulating blends with mineral fillers like calcium carbonate and talc, or with more rigid polyesters like polylactic acid or poly(butylene terephthalate) are efficient. The most interesting results are obtained by using calcium carbonate and polylactic acid, which allow the preservation of PBS’s flexibility. Processing parameters should be maximized to limit the degradation of PBS. Combinations of the most interesting solutions were investigated and lead to materials which fulfill the required specifications

Dans le domaine des plastiques biodégradables, les produits se doivent d’être de plus en plus compétitifs. Ces travaux, menés entre le laboratoire IMP@UJM et la société LCI ont eu pour objectif principal l’augmentation de la part en matières d’origines renouvelables dans le mélange de polymères biodégradable poly(butylène adipate-co-téréphtalate) (PBAT)/TPF (farine thermoplastique), sans diminuer ses propriétés mécaniques. Ce mélange est obtenu par extrusion en une seule étape, comprenant la plastification de la farine et le mélange avec le polyester. L’enjeu scientifique était donc en premier lieu de comprendre les relations entre la mise en oeuvre, l’établissement de la morphologie du mélange, la concentration en chacun des polymères et les propriétés mécaniques. Dans un second temps, ces résultats ont été exploités en vue de l’augmentation des propriétés mécaniques du mélange. L’influence de la concentration en TPF et du rapport de viscosité entre les phases a donc été mise en évidence sur toute la gamme de concentration, mettant en lumière l’importance de contrôler la tension interfaciale du mélange. Des mécanismes d’établissement de la morphologie et des interprétations quant à son effet sur les propriétés mécaniques du mélange sont proposés. L’étude d’une modification par extrusion réactive du PBAT est ensuite présentée. L’évolution de la structure du polyester est caractérisée par chromatographie d’exclusion stérique en fonction de différents paramètres, dont le temps de mélange. Enfin, différentes modifications du mélange PBAT/TPF sont testées. L’influence de la modification du PBAT, de la modification de la phase TPF ou de la modification de l’interface via des agents compatibilisants est étudiée sur les propriétés rhéologiques, morphologiques et mécaniques du mélange
Biodegradable plastics need to be more and more competitive. This work, conducted between IMP@UJM laboratory and LCI company had the main objective of increasing the content of renewable materials in the biodegradable blend of poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT)/ thermoplastic flour (TPF), without decreasing its mechanical properties. The blend was obtained by a single step extrusion, including flour thermoplastification and blending with the polyester. The scientific challenge was to understand the relationship between processing parameters, the morphology establishment, the concentration of each phase of the blend and its mechanical properties. Then, these results were exploited in order to increase the mechanical properties of the mixture. The influence of the concentration of TPF and the viscosity ratio between the phases was highlighted over the entire concentration range. This highlighted the importance of controlling the interfacial tension of the blend. Mechanisms of the morphology establishment were proposed, as well as interpretations about its effect on the mechanical properties of the blend. Then, a study of the PBAT modification by reactive extrusion was proposed. The evolution of the polyester structure was characterized by size exclusion chromatography, according to various parameters including the mixing time. Finally, various modifications of PBAT/TPF mixture were tested. Modifying the PBAT, the TPF phase or the interface via the compatibilizers were studied in order to tailor the rheological, morphological and mechanical properties

Au cours des dernières décennies, l’utilisation de polymères biodégradables a connu un regain d’intérêt pour des applications agricoles. Dans cette étude, nous nous concentrons sur le développement de textiles biodégradables destinés à la protection anti-insecte des cultures. Actuellement, ces textiles doivent être collectés par des entreprises après la saison agricole et entraîne un coût non négligeable pour l’utilisateur. Une alternative serait d’avoir des agro-textiles qui pourraient être collectés par l’utilisateur et minéralisés après quelques mois. Les polymères biodégradables pourraient répondre à ces objectifs. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur le poly(butylene succinate) un polymère biodégradable et biosourcé. Le PBS a été synthétisé sur un pilote de polycondensation. Néanmoins, le PBS issu de cette synthèse présente de faibles propriétés rhéologiques. La structure du PBS a donc été modifiée par l’incorporation de branchements ou d’allongeurs de chaines. Les propriétés mécaniques ont également été optimisées via la synthèse de systèmes PBS/PLA transréagits et de PBS nanocomposites. Ces PBS modifiés ont été testés au filage. Finalement un fil de PBS avec 0,5% de silice sphérique a été produit à plus grande échelle et un textile a été fabriqué. Le vieillissement de ces fils PBS a été étudié et la conservation des propriétés mécaniques durant l’utilisation du fil en extérieur a été validée. Enfin, une dernière approche plus exploratoire a été testée. Elle consiste en la modification du PBS par des interactions supramoléculaires réversibles en température
In the last decade, biodegradable polymers have gained significant interest for agricultural applications. Here we focus on the development of biodegradable textiles for insect-proof nets. Currently these textiles must be collected by specialized companies after the growing season and generate disposal cost. An ideal agrotextile would be collected by the user at the end of the growing season, and undergo full mineralization within few months. These requirements can be achieved by using biodegradable polymers. In this study, poly(butylene succinate) (PBS), a biobased and biodegradable polymer was studied. PBS was synthesized by polycondensation on a pilot plant reactor. Because of low rheological properties of the synthesized polyester, the chemical structure of PBS was modified by several approaches like chain extension or branching. The mechanical properties were tuned with the synthesis of PBS/PLA transreacted systems and PBS nanocomposites. These modified PBS were tested upon fiber spinning. Finally a PBS yarn with 0,5% spherical silica was produced at higher scale and a textile was done. Ageing of the PBS yarns was also studied and the conservation of the mechanical properties during use of the textile was validated. Lastly a more exploratory approach was tested. It is synthesis of modified PBS by supramolecular interactions, which are reversible upon temperature

Ce travail consiste à développer de nouveaux matériaux potentiellement biodégradables et étudier leurs propriétés thermiques et mécaniques. Dans la première partie, nous avons synthétisé de nouveaux polymères de type polyesters et polyuréthanes par polycondensation d'oligomères téléchéliques du polycaprolactone avec d'autres monomères choisis en fonction de certaines propriétés physiques et de dégradabilité des matériaux obtenus. Les analyses montrent que les propriétés thermiques et mécaniques de ces polymères sont influencées par la méthode de synthèse et le pourcentage d'unités téréphtaliques incorporé dans ces polymères. La 2ème partie a été consacrée à l'élaboration des composites à partir des polyuréthanes synthèstisés à partir de l'huile de ricin ou polycaprolactone et un biopolymère: la cellulose. Ce dernier a été extrait de l'alfa, plante très abondante dans la biomasse végétale marocaine. L'étude des propriétés de ces matériaux montre que les fibres cellulosiques améliorent considérablement les proriétés thermiques et mécaniques des composites. Cete amélioration varie linéairement avec le taux de fibres indorporées jusqu'à un pourcentage donné. Au-delà de cette valeur les propriétés mécaniques chutent. Les images MEB de la faciès de rupture des composites illustrent une bonne interface due aux liaisons hydrogène entre les fibres et la matrice
This work consists in developing new potentiallly biodegradable materials ans studying their thermal and mechanical properties. In the first part, we synthesized new polymers of type polyesters and polyurethanes by polycondensation of telechelic polycaprolactone oligomers with other monomers chosen according to some physical properties and degradability of the materials obtained. The analyses show that the thermal and mechanical properties of these polylmers are influenced by the method of synthesis anfd the percentage of terephthalic untils uncorporated into these polymers. The second part has been dedicated to the development of the composites based polyurethanes synthesized from castor oil or PCL and biopolymer: cellulose. The later has been extracted of the alfa plant, very abundant in plant biomass Moroccan. The study of properties of these materials shows that the cellulose fibers significantly improve the thermal and mechanical properties of composites. This improvement varies linearly with the rate of fiber incorporated to a certain percentage. Beyond this value the mechanical properties fall. The SEM images of fracture surfce of composites show a good interface due to hydrogen bonding between the fibers and matrix

L'utilisation de polymères biodégradables synthétiques connaît un grand essor depuis une dizaine d'années. Parmi ces polymères, les polyesters occupent une place privilégiée car ils sont biocompatibles : ils sont d'origine naturelle ou d'origine synthétique. Dans tous les cas, on peut les préparer par polymérisation par ouverture de cycle (ROP) à partir de lactones1.
L'utilisation des lactones est parfois limitée à cause de leur faible polymérisabilité. Cette dernière est contournée par l'utilisation de systèmes catalytiques très réactifs souvent à base de métaux qui ne sont pas toujours compatibles avec une application en biologie (pharmacologie, environnement)2. Une approche pour pallier ce problème consiste à activer ‘chimiquement' ces monomères pour en tirer un avantage dans le processus de polymérisation. Le L-lacOCA est ainsi un analogue du L-lactide qui possède une fonction O-carboxyanhydride (OCA). Ce monomère est beaucoup plus réactif que la dilactone cyclique équivalente : il polymérise de façon contrôlée et vivante dans des conditions catalytiques plus douces3.
Ce travail commence par une étude théorique de la ROP du L-lacOCA et du L-lactide catalysée par la 4-diméthylaminopyridine (DMAP) et en présence d'un alcool. Le mécanisme de la polymérisation ainsi révélé consiste en une activation basique de l'amorceur par la DMAP. Pour ce catalyseur, il y a mise en évidence pour la première fois d'un mode d'action bifonctionnel inusuel qui met en jeu une liaison hydrogène de faible énergie4.
La deuxième partie du manuscrit décrit le développement de la ROP du L-lacOCA avec un systême catalytique alternatif écocompatible : la catalyse enzymatique. Jusqu'à maintenant, les enzymes réalisent difficilement la ROP du lactide. Avec deux lipases, la Novozyme 435 et la lipase PS, il a été possible d'obtenir du polylactide de haut poids moléculaire à partir du monomère activé. Dans le cas de la Novozyme 435, la polymérisation est contrôlée et possède un caractère vivant.
Dans une dernière partie, nous avons essayé d'étendre le principe d'activation du motif OCA à d'autres monomères. Nous avons étudié la ROP des β-OCAs, les O-carboxyanhydrides à 6 chaînons qui pourraient donner accès aux polymères naturels comme le PHB. Trois monomères de ce type, le PivOCA, le MepOCA et le ButOCA ont été synthétisés. L'étude de leurs réactivités a mis en avant un problème de sélectivité entre les deux carbonyls du motif OCA lors d'une attaque nucléophile. A cause de réactions secondaires, les essais de ROP ont montré qu'il était difficile d'accéder proprement à des polyesters.
Références
1. Biopolymers, Wiley VCH, 2003, Vol. 3a-3b-4.
2. O. Dechy-Cabaret, B. Martin-Vaca, D. Bourissou, Chem. Rev., 2004 (104) 6147.
3. O. Thillaye du Boullay, E. Marchal, B. Martin-Vaca, F. P. Cossio and D. Bourissou., J. Am. Chem. Soc., 2006 (128) 16442.
4. C. Bonduelle, B. Martin-Vaca, F.P. Cossio, D. Bourissou, Chem. Eur. J., 2008 , 14, 5304.

Des systèmes à base de bois, de poly( -caprolactone) (PCL) et de poly(éthylène glycol) (PEG) ont été mis au point pour contrôler la libération de chlorure de potassium (KCl). L'étude de la réaction de polymérisation de l' -CL amorcée par le 2-éthylhexanoate d'étain en présence d'eau, de bois et de KCl permet de suivre l'évolution des masses molaires et la cinétique de la réaction, en soulignant l'importance de l'eau. Différents composites à base de copolymères et de mélanges PCL/PEG ou à base de bois et de PCL ont été réalisés. L'étude de la libération du KCl par ces systèmes montre l'importance du caractère hydrophile du système de libération amené ici par le PEG et le bois. D'autre part, des études rhéologiques ont montré l'influence de la nature et de la fraction massique de la charge (bois et KCl) sur la viscosité du PCL. Enfin, l'étude de la dégradation de films à base de PCL, de bois et de KCl a mis en évidence le caractère biodégradable de tels systèmes.

Ce chapitre pose clairement les définitions des matériaux biosourcés, biodégradables, biofragmentables, compostables etc..et liste les familles de biopolymères : extraits de la biomasse, synthétisés à partir de la biomasse par voie chimiques ou microbiologique, ou encore issus de la pétrochimie.