Analyse thermique de plastique biodégradable
L’acide polylactique (PLA) est une matière plastique biodégradable, dérivé de plantes comme la canne à sucre. Ses propriétés sont similaires à celles du polypropylène et du polyéthylène, mais il peut se biodégrader en six mois seulement. De plus, cette matière plastique biodégradable aide à résoudre les problèmes actuels de pollution plastique dans nos océans. Ce PLA est utilisé pour de nouvelles applications médicales où sa capacité à se dissoudre de manière inoffensive dans le corps le rend utile pour les plaques et les vis internes.
Malgré sa capacité à se décomposer dans un laps de temps relativement court, l’acide polylactique est capable de résister aux applications normales où les plastiques dérivés de la pétrochimie sont couramment utilisés.
Grâce à la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et à l’analyse thermogravimétrique (STA), il est possible d’une part, d’étudier la relation entre vitesse de refroidissement et cristallinité, et d’autre part, d’évaluer la résistance thermique du matériau à sa température de formation. Les instruments Hitachi NEXTA DSC200 et NEXTA STA200, possèdent une haute sensibilité et d’excellentes performances de ligne de base.
La NEXTA DSC est un calorimètre différentiel à balayage pour l’analyse thermique des matériaux, développé par la société Hitachi. Il vous permet de réaliser des essais précis et fiables sur vos échantillons.
Appareils Hitachi pour l’analyse thermique de l’acide polylactique
La NEXTA DSC200 est un calorimètre à balayage différentiel hautes performances, conçu pour être facile d’utilisation et très robuste. Il s’agit d’un instrument extrêmement polyvalent, qui peut être modulé grâce à différentes options pour s’adapter à toutes vos applications. Une sensibilité élevée et une excellente stabilité de ligne de base permettent à la NEXTA DSC200 d’évaluer la cristallinité et la résistance à la chaleur de différents types de matériaux à base d’acide polylactique. Aussi la NEXTA DSC200 est un instrument très peu coûteux à utiliser, avec très peu de consommables nécessaires. De plus, la fonction d’analyse automatique, associée à un passeur d’échantillons avec 50 positions, permet de gagner du temps pour les essais et de libérer les opérateurs.
La NEXTA STA200 d’Hitachi permet de s’assurer que les matières premières sont conformes aux spécifications grâce à une analyse thermique finement ajustée. Avec un niveau inégalé de stabilité de la ligne de base, une sensibilité de classe mondiale et des capacités avancées de TGA et de DSC, la NEXTA STA s’intègre facilement dans les programmes de contrôle qualité, de recherche et de développement des polymères. Enfin, le système unique de caméra RealView vous permet de regarder l’évolution du plastique biodégradable en temps réel, ce qui peut être très utile pour l’interprétation des résultats ou le développement de nouveaux matériaux.
Logiciel tout inclus, y compris la fonctionnalité DSC modulée
Les gammes NEXTA DSC et NEXTA STA sont livrées avec le logiciel NEXTA TA intuitif et complet développé par Hitachi. Il vous offre différentes options de manipulation. Les nouveaux utilisateurs peuvent obtenir des résultats fiables et précis grâce à un mode d’utilisation simplifié et guidé, tandis que les opérateurs expérimentés peuvent utiliser la NEXTA DSC et la NEXTA STA pour une analyse plus avancée avec des paramètres plus poussés. Tous les modules sont inclus avec l’instrument, y compris la fonctionnalité DSC modulée, donc si vous décidez d’étendre votre utilisation à de nouvelles applications, vous n’aurez pas à acheter de modules supplémentaires.
Performance et résultats
La NEXTA DSC200 et la NEXTA STA200 ont été utilisées pour évaluer la cristallinité et la résistance thermique de différents types de matériaux à base d’acide polylactique. Quatre échantillons de bioplastiques PLA ont été analysés : a, b, c et c’. Tous avaient différents rapports L/D et différents poids moléculaires (comme indiqué ci-dessous) :
- a, b, c : même poids moléculaire, mais des rapports L/D différents (le rapport L était le plus petit pour a et le plus élevé pour l’échantillon c),
- c’ : a le même rapport L/D que l’échantillon c, mais un poids moléculaire inférieur.
Analyse DSC
- Poids de l’échantillon : 10 mg
- Vitesse de chauffe : 10ºC / min à 200ºC
- Atmosphère : Nitrogène
Analyse STA
- Poids de l’échantillon : 10mg
- Vitesse de chauffe : divers, voir les résultats
- Atmosphère : Nitrogène
Résultats DSC pour tous les échantillons à une vitesse de refroidissement de 0,1 °C/min
La Figure 1 montre les résultats obtenus pour les quatre échantillons après avoir été chauffés au-dessus du point de fusion à 200°C, puis refroidis. La température de transition vitreuse (Tg) peut être observée à environ 60°C pour tous les échantillons. Des pics endothermiques indiquant la fusion sont visibles à 150°C et 170°C pour les échantillons b et c/c’ respectivement. A partir de ces résultats, nous pouvons voir que plus le rapport L est élevé, plus la cristallisation est facile à réaliser. La cristallisation ne s’est pas produite pour l’échantillon a. Nous pouvons également voir que la température de fusion et la chaleur de fusion pour les échantillons c et c’ étaient à peu près les mêmes, ce qui implique que le poids moléculaire n’affecte pas la cristallinité dans ces conditions.
Résultats DSC pour tous les échantillons lors du refroidissement par trempe
En comparant les pics de fusion de la Figure 2 avec ceux de la Figure 1, nous pouvons voir que l’échantillon b ne présente aucun pic de fusion. Cela illustre l’importance de la vitesse de refroidissement sur le rapport isomérique lors de la fabrication du PLA par moulage. Nous pouvons également voir des différences entre c et c’ concernant la cristallisation à froid à environ 140°C et au pic de fusion dans le scénario de refroidissement par trempe. Cela implique que, lorsque le rapport L est le même (comme les échantillons c et c’), l’échantillon ayant le poids moléculaire le plus faible a une cristallinité plus élevée.
Résultats DSC pour tous les échantillons dans diverses conditions de refroidissement
Les Figures 3 à 6 montrent les résultats DSC pour chaque échantillon à différentes vitesse de refroidissement. Nous pouvons voir que l’échantillon a ne présente aucun pic de fusion, quelque soit la vitesse de refroidissement. Nous pouvons donc en conclure que cet échantillon est presque amorphe. L’échantillon b montre un pic de fusion lorsque la vitesse de refroidissement est inférieure ou égale à 1°C/min, ce qui implique que pour augmenter la cristallinité de cet échantillon, la vitesse de refroidissement doit être à ce niveau ou inférieure.
Une comparaison des échantillons c et c’ montre qu’il n’y avait pas de différence de cristallinité à une vitesse de refroidissement de 0,1°C/min. Cependant, pour une vitesse de refroidissement supérieure ou égale à 0,5°C/min, l’échantillon c’ présente une chaleur de fusion importante. Cela montre que la cristallinité de l’échantillon c’ est plus élevée.
Comparaison de la cristallinité relative par vitesse de refroidissement
| 0.1ºC/min | 0.5ºC/min | 1ºC/min | 5ºC/min | 10ºC/min | Refroidissement par trempe | |
| a | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| b | 0.303 | 0.015 | 0.005 | 0 | 0 | 0 |
| c | 0.981 | 0.625 | 0.164 | 0.009 | 0.003 | 0.001 |
| c’ | 1 | 0.708 | 0.273 | 0.033 | 0.007 | 0.006 |
Tableau 1 : Comparaison de la cristallinité relative par vitesse de refroidissement
La cristallinité relative peut être calculée à partir de la chaleur de fusion, en normalisant la chaleur de fusion de l’échantillon c’ qui a été refroidi à une vitesse de 0,1ºC/min. Le tableau ci-dessus présente les résultats de ce calcul.
Nous pouvons voir dans le tableau que, plus le rapport L est élevé, plus la cristallinité est élevée. La comparaison des résultats pour c et c’ nous donne l’impact du poids moléculaire. Nous pouvons voir que le poids moléculaire a une influence sur la cristallinité qui dépend de la vitesse de refroidissement.
Résultats STA pour les échantillons b et c à différentes vitesses de chauffe
La Figure 7 présente les résultats des mesure STA des échantillons b et c à quatre vitesse de chauffe différentes. Il y a peu de différence dans la décomposition thermique, impliquant peu de différence de résistance thermique entre les échantillons.
Analyse cinétique pour l’échantillon c
Une analyse cinétique (selon la méthode d’Ozawa) a ensuite été réalisée sur les échantillons b, c et c’ à différentes vitesses de chauffe. Les résultats pour l’échantillon c sont illustrés par la Figure 8. Ces derniers ont été utilisés pour établir le tableau des résultats de l’énergie d’activation pour les échantillons b, c et c’. Ceux-ci sont présentés dans le Tableau 2.
| Échantillon | AE (kJ/mol) | Température constante du temps de dégradation (durée de vie) |
| b | 144 | 15.4 |
| c | 155 | 21.6 |
| c’ | 136 | 10.9 |
Tableau 2 : Résultats des calculs pour l’énergie d’activation
Les résultats présentés dans le Tableau 2 montrent que l’échantillon c’ (faible poids moléculaire) réagit rapidement. De plus, à poids moléculaire égal, les échantillons ayant un rapport L inférieur réagissent plus rapidement. Ces résultats confirment que la résistance thermique évolue en fonction de la masse moléculaire et du rapport L.
Conclusion
En conclusion, la NEXTA STA200 et la NEXTA DSC200 peuvent être utilisés en tandem pour offrir une analyse précise de l’acide polylactique. Grâce à leur excellente stabilité de ligne de base et leur sensibilité élevée, les appareils offrent une base fiable pour les études de cristallisation et de résistance thermique d’échantillons de différents rapports isométriques. Simple d’utilisation et robuste, la NEXTA DSC et la NEXTA STA déterminent en toute confiance les caractéristiques de performance essentielles du bioplastique PLA.
Pour en savoir plus sur cet analyseur thermique, retrouvez toutes les informations et spécifications de ce produit sur notre page internet dédiée au NEXTA DSC. Vous pourrez également y télécharger une plaquette ou demander un devis.
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