Polymères bio-sourcés

L'acide polylactique ou polylactide (PLA), qui appartient à la famille des polyesters aliphatiques, est l'un des matériaux biodégradables les plus utilisés. Il est fabriqué à partir d'acide lactique, lui-même produit à partir de ressources renouvelables telles que le maïs, la canne à sucre et le riz.

Outre sa biodégradabilité et sa production à partir de ressources renouvelables, le PLA présente de nombreux autres avantages, notamment : la fixation du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre ; des économies d'énergie considérables ; l'amélioration des économies agricoles et la manipulation des propriétés physico-mécaniques à l'aide de l'architecture des polymères, comme l'orientation, le mélange, la ramification, la réticulation ou la plastification.

Bien que les procédés de production de l'acide lactique et du PLA soient bien connus, très peu de procédés ont été commercialisés et le coût du PLA n'est toujours pas très compétitif par rapport aux plastiques synthétiques.
Le cœur de la technologie de production du PLA est la production fermentaire d'acide lactique et sa récupération.
En plus d'être biodégradable, le PLA possède de nombreuses propriétés favorables telles qu'une bonne biocompatibilité et biorésorbabilité, des propriétés de barrière, une résistance mécanique et la capacité de renforcer les charges.
Toutes ces propriétés en font un polymère de choix pour les applications biomédicales (implants, sutures, encapsulation de médicaments), l'emballage alimentaire ( film alimentaire, conteneurs, gobelets) et les applications structurelles (structures civiles, meubles, marine, automobiles). Ce chapitre traite des sources de production (c'est-à-dire des matières premières), des voies de synthèse et de ses applications dans les domaines biomédical, de l'emballage alimentaire et des structures.)

Actuellement, le PLA est synthétisé par un processus en deux étapes consistant en (i) la production d'acide lactique par synthèse chimique à partir de ressources pétrolières ou principalement par fermentation de ressources renouvelables respectueuses de l'environnement ou (ii) la polymérisation de l'acide lactique par condensation directe ou par condensation déshydratante azéotropique à base de solvant et polymérisation par ouverture de cycle du lactide, un dimère cyclique résultant de la déshydratation de l'acide lactique.

Le PLA dans les applications biomédicales

Le PLA possède des propriétés mécaniques élevées et d'excellentes propriétés de mise en forme et de moulage. Il est biocompatible (ce qui signifie qu'il a une bonne compatibilité avec le sang et les tissus et que, en cas de dégradation lente, les produits de dégradation ne sont pas toxiques) et biorésorbable (ce qui signifie qu'il peut être décomposé par le corps et ne nécessite pas d'élimination mécanique) dans le corps humain [18, 95]. Il est donc considéré comme l'un des polymères biodégradables les plus importants étudiés pour une large gamme d'applications biomédicales et pharmaceutiques telles que la libération contrôlée de médicaments, les prothèses résorbables, les sutures biodégradables, les implants médicaux et les échafaudages pour l'ingénierie tissulaire.

Le poids moléculaire du matériau polymère influence directement les propriétés mécaniques et de sorption du PLA et est donc critique en fonction de l'utilisation finale. Un matériau polymère de poids moléculaire élevé est nécessaire pour des applications telles que les plaques osseuses ou la fixation interne temporaire d'os cassés ou endommagés.
En raison de sa biorésorbabilité, le PLA et d'autres polymères biodégradables se sont révélés avantageux par rapport aux polymères conventionnels dans le cas des systèmes de libération contrôlée par voie parentérale.
La préparation de plaques destinées à être utilisées dans le cadre d'une libération contrôlée ne nécessite pas une résistance élevée. Il est donc possible d'utiliser un matériau de faible poids moléculaire qui présente l'avantage d'un comportement de dégradation favorable dans le corps humain. Le PLA a été utilisé jusqu'à présent comme vecteur de médicaments sous forme de microcapsules, de microsphères, de pastilles et de comprimés pour l'administration de médicaments antimycobactériens, de quinolones, d'antipaludéens, d'anti-inflammatoires, d'agents antitumoraux, d'hormones et de comprimés contenant du fluorure pour une utilisation orale.
Le PLA peut être renforcé par des matériaux non résorbables tels que des fibres de carbone pour obtenir des composites fibre de carbone/PLA aux propriétés mécaniques élevées avant l'implantation. Les effets à long terme des matériaux résorbés dans les tissus vivants ne sont pas entièrement connus et restent à résoudre.

Les matériaux à base de PLA et de ses copolymères ont été conçus pour remplacer le métal et d'autres polymères non absorbables en tant qu'aides thérapeutiques en chirurgie, notamment les broches, les plaques, les vis, les ancres de suture et les endoprothèses intravasculaires. D'autres applications médicales sont actuellement pratiquées, notamment les pansements pour les victimes de brûlures, les substrats pour les greffes de peau et les applications dentaires.

Le PLA comme matériau d'emballage alimentaire

Le PLA a une grande chance de remplacer les matériaux moins respectueux de l'environnement dans le domaine de l'emballage, car il possède des propriétés physiques favorables telles que la transparence, un module d'élasticité élevé et une température de fusion élevée, ce qui améliore souvent la fonction et diminue l'impact sur l'environnement.
Il est également prouvé médicalement qu'il s'agit d'un matériau sûr pour les aliments, car le niveau d'acide lactique qui migre vers les aliments à partir des matériaux d'emballage est beaucoup plus faible que la quantité d'acide lactique utilisée dans les ingrédients alimentaires courants. Toutefois, en tant que matériau d'emballage, le PLA a d'abord trouvé son application dans les films de grande valeur, les thermoformages rigides, les papiers couchés et les contenants pour aliments et boissons, en raison de son coût plus élevé. Le PLA pourrait trouver ses applications d'emballage dans une gamme plus large de produits à mesure que les technologies de production modernes et émergentes réduisent ses coûts de production.

En offrant aux consommateurs des avantages supplémentaires en termes d'utilisation finale, tels que le respect des réglementations environnementales, le PLA est devenu une alternative croissante en tant que matériau d'emballage pour les marchés exigeants. Le PLA peut être utilisé comme polymère d'emballage alimentaire pour les produits à courte durée de conservation tels que les fruits et les légumes. Le PLA a également des applications d'emballage courantes telles que les conteneurs, les gobelets à boire, les gobelets à sundae et à salade, les suremballages et les emballages sous blister.
Le PLA peut être transformé dans le cadre des opérations traditionnelles de transformation des polymères, telles que le moulage par injection, le moulage par soufflage, l'extrusion et l'enduction par extrusion. Ainsi, les couvercles, les plateaux et les coquilles utilisés dans la manipulation des aliments peuvent être thermoformés à partir de feuilles de PLA extrudées, ce qui permet même d'obtenir des produits dont la résistance à la flexion et à la fissuration dans les charnières est supérieure à celle des produits fabriqués en polystyrène. Les conteneurs en PLA thermoformé sont également utilisés dans les marchés de détail pour les fruits et légumes frais. Des couverts jetables peuvent également être produits par moulage par injection de PLA.

Les films constituent l'un des plus grands domaines d'application du PLA. La capacité à être cristallisé sous contrainte et thermocristallisé, ainsi que la possibilité de modifier la cinétique de cristallisation et les propriétés physiques pour une grande variété d'applications par l'incorporation de co-monomères D ou méso, la ramification et la modification du poids moléculaire font du PLA un polymère de base extrêmement polyvalent. Les films sont transparents lorsqu'ils sont cristallisés sous contrainte et sont acceptés par les clients pour le contact alimentaire. Les films de PLA peuvent être préparés par la technologie de la double bulle soufflée ou par la technique de la coulée. Les films obtenus par coulée-tentation présentent de nombreuses propriétés souhaitables pour l'emballage des produits alimentaires de consommation, telles qu'un très faible voilage, une excellente brillance et de bons taux de transmission des gaz (O2, CO2 et H2O). Pour les emballages à torsion, les films PLA présentent une rétention supérieure du pliage sec ou de la torsion.

Les feuilles minces de nombreuses variantes de PLA possèdent une grande brillance, une excellente thermoscellabilité et une grande clarté, ce qui permet aux feuilles minces extrudées de PLA de remplacer la cellophane et le polyéthylène téréphtalate (PET) dans les emballages transparents. Les sacs solides et résistants à la perforation pour les déchets de jardin et/ou les déchets alimentaires constituent une autre série d'applications dans lesquelles les propriétés physiques et la nature biodégradable du PLA peuvent être utilisées à bon escient. La caractéristique biodégradable permet aux sacs de se dégrader en 4 à 6 semaines dans un environnement de compostage.

Applications structurelles / production de composites en PLA

Les composites traditionnels constitués de fibres de verre, d'aramide ou de carbone et de polymères synthétiques d'origine pétrochimique sont utilisés depuis plus de vingt ans dans l'aérospatiale, la défense, la marine, l'automobile, les infrastructures civiles et les articles de sport en raison de leur résistance et de leur rigidité élevées, de leur stabilité dimensionnelle et de leurs propriétés thermiques.

Cependant, en raison de la nature limitée des polymères et des fibres synthétiques et des nouveaux impératifs liés à la pollution de l'environnement, les chercheurs se concentrent désormais sur les biocomposites basés sur des ressources naturelles, les domaines d'application restant inchangés.
Les biocomposites composés de biopolymères (par exemple PLA, esters de cellulose, polyhydoxyalcanoates et amidon) et de fibres naturelles (telles que le lin, le chanvre, le kenaf, la jute ou le coton) sont généralement biodégradables et constituent d'importantes réalisations en matière de recherche et de développement.

Le PLA est coûteux par rapport aux thermoplastiques conventionnels et il est parfois trop faible pour certaines applications. La fragilité inhérente du PLA a été le principal obstacle à l'expansion de son utilisation commerciale. Afin de réduire le coût et d'améliorer les propriétés du matériau PLA sans nuire à son image de "polymère vert", de nombreux chercheurs ont étudié les biocomposites PLA renforcés par des fibres naturelles pour des applications structurelles.