Évaluation de la faisabilité de l’utilisation de différents types de fibres cellulosiques traités enzymatiquement pour la valorisation de l’acide poly-lactique (PLA)

Abstract

L’objectif de cette recherche est de produire de nouveaux matériaux composites à partir des déchets en plastique (post-consommation) des centres de tri au Québec et des fibres naturelles d’origine végétale.

En particulier, l'étude a porté sur la combinaison de l’acide polylactique recyclé (PLAr) qui est l'un des alternatives les plus prometteuses aux polymères à base de pétrole et les microfibres de cellulose (MFC) à partir des boues de l’industrie papetière (boues mixtes (BM) et boues de désencrage (BD)) et des fibres de chanvre (FC) considérées comme la nouvelle génération de renforts renouvelables afin de produire des composites biodégradables et de haute performance mécanique (la résistance à la traction et la rigidité).

Afin d’améliorer la compatibilité et l’adhésion interfaciale entre la matrice PLAr et les différents renforts utilisés, les MFC ont été extraites et traitées en utilisant, en premier lieu, un prétraitement physico-chimique à la soude et, en second lieu, un traitement enzymatique (laccases et cellulases). Ensuite, l’effet de la concentration des microfibres cellulosiques traitées (1.5, 3 et 6% en poids sec) a été étudié afin de caractériser les échantillons de biocomposites développés en termes de taille, morphologie, propriétés mécaniques (impact et traction) et biodégradabilité.

Les résultats obtenus démontrent que les deux traitements utilisés ont conduit à une diminution considérable de taille des fibres cellulosiques atteignant plus de 90% pour les MFC extraits de BD ainsi qu’une bonne adhésion interfaciale entre la matrice de l’acide poly lactique recyclé et les différents renforts étudiés. L'analyse de la variance suivie par le test de Tukey ont montré que les meilleurs biocomposites, en termes de propriétés mécaniques, sont issus de l’association du PLAr avec les fibres de chanvre (Module d’Young de 324,53 ± 3,10 MPa; résistance à l’impact de 27,61 ± 2,94 kJ/m²) suivis des boues mixtes (Module d’Young de 316,59 ± 2,80 MPa; résistance à l’impact de 20,47 ± 4,24 kJ/m²) et ensuite les boues de désencrage (Module d’Young de 315,58 ± 4,31 MPa; résistance à l’impact de 14,59 ± 2,24 kJ/m²) ce qui a été confirmé par diverses techniques telles que la microscopie électronique à balayage (MEB), la diffraction des rayons X (DRX) et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF). Le test de biodégradation à l'échelle du laboratoire a montré un taux de biodégradation de 1,97% pour les FC, de 1,57% pour les BD puis de 1,35% pour les BM.

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The objective of this research is to produce new composite materials from plastic waste (post-consumer) from sorting centers in Quebec and natural fibers of plant origin.

In particular, the study focused on the combination of recycled polylactic acid (PLAr) which is one of the most promising alternatives to petroleum-based polymers and cellulose microfibers (MFC) from the sludge of the paper industry (mixed sludge (BM) and de-inking sludge (BD)) and hemp fibers (FC) considered as the new generation of renewable reinforcements in order to produce biodegradable composites with high mechanical performance (the tensile strength and stiffness).

In order to improve the interfacial compatibility and adhesion between the PLAr matrix and the various reinforcements used, the MFCs were extracted and treated using, firstly, a physico-chemical pretreatment with soda and, secondly, a enzymatic treatment (laccases and cellulases). Then, the effect of the concentration of treated cellulosic microfibers (1.5, 3 and 6% in dry weight) was studied in order to characterize the samples of biocomposites developed in terms of size, morphology, mechanical properties (impact and traction) and biodegradability. .

The results obtained show that the two treatments used led to a considerable reduction in the size of the cellulosic fibers reaching more than 90% for the MFCs extracted from BD as well as a good interfacial adhesion between the matrix of the recycled poly lactic acid and the different reinforcements studied. The analysis of variance followed by Tukey's test showed that the best biocomposites, in terms of mechanical properties, come from the association of PLAr with hemp fibers (Young's Modulus of 324.53 ± 3, 10 MPa; impact strength of 27.61 ± 2.94 kJ/m²) followed by mixed sludge (Young's Modulus of 316.59 ± 2.80 MPa; impact strength of 20.47 ± 4 .24 kJ/m²) and then the de-inking sludge (Young's Modulus of 315.58 ± 4.31 MPa; impact resistance of 14.59 ± 2.24 kJ/m²) which was confirmed by various techniques such as scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The laboratory-scale biodegradation test showed a biodegradation rate of 1.97% for FCs, 1.57% for BDs and then 1.35% for BMs.