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Introduction :
La demande du public en matière de matériaux renouvelables, devient de plus en plus importante en raison notamment d’une plus grande sensibilisation à la protection de l’environnement. D’où l’intérêt de substituer matériaux polymères tels que les matières plastiques par des polymères biodégradables.
L’accumulation de plastique dans notre environnement ,source de nuisance visuelle et de pollution des sols et des milieux maritimes ,la durée de vie d’un sac plastique abandonné en sol étant estimer à 200 ans ,même, le recyclage des matières plastiques par combustion pour la production d’énergie se heurte à la nécessité du retraitement du fumées ,et en particulier pour les plastiques contenant des halogènes ou du soufre ,et à la réduction des émissions de dioxyde de carbone issu de matières carbonées fossiles .le recyclage pour la fabrication de nouveaux matériaux se heurte quant à lui aux problèmes du tri et du nettoyage des matières rejetées . Ce qui accélère la recherche d’alternatives à ses matériaux.
Les polymères biodégradables comme alternatives capables de se dégrader après leur utilisation sans aboutir à une augmentation de la teneur en dioxyde de carbone atmosphérique et en sous-produits toxique pour l’environnement, constituent donc un domaine en plein essor, comme en témoigne, l’augmentation de leur capacité de production et leurs perspectives.
Un polymère est un enchaînement de motifs simples appelés monomères qui peuvent être identiques (homopolymère) ou non (copolymère). Le nombre de motifs monomères constituant la macromolécule est appelé degré de polymérisation (dp). Les polymères sont en général polymoléculaires, c'est à dire qu'ils sont composés de mélanges de molécules de tailles différentes, donc de dp différents. Leur masse molaire (La masse macromoléculaire est le produit de la masse moléculaire de motif élémentaire par l’indice de polymérisation) est très élevée et souvent supérieure à 10 000 g/mol.
Les polymères biodégradables sont des polymères qui sont aptes à subir un processus de décomposition sous forme dioxyde de carbone, méthane, eau, composés non organiques ou biomasse, tout sous l'action enzymatique des microorganismes.
1 .Classification des polymères biodégradables selon l’origine :
Il existe plusieurs façons de classifier les polymères soit en adoptant un point de vue chimique, thermique ou éventuellement selon son origine. Selon l’origine : on distingue trois types :
1.1. Les polymères biodégradables naturels
Sont des polymères qui existent dans la nature selon leurs provenances végétales, animales ou minérales.
1.1. 1. Les polymères biodégradables d’origine végétale
a. L’amidon
L'amidon est un sucre polyoside de formule brute n issu de la photosynthèse. L'amidon qui constitue la réserve en sucre des végétaux, se présente sous forme de grains de taille variable (1 à 200 μm) Les principales sources d’amidon sont le maïs, la pomme de terre, le blé, le manioc et le riz. La fabrication d’amidon commence par la séparation les constituants de la plante: l'amidon, la protéine, l'enveloppe cellulosique, les fractions solubles et etc.
Structure de base et propriétés
L’amidon est constitué d’un mélange de deux macromolécules, l’une linéaire, l’amylose, et l’autre branchée, l’amylopectine. L’amylose (entre 20 et 30 %) est un polymère Linéaire constitué d’unités glucose reliées entre elles par des liens (1-4) et possède une masse molaire entre 105 et 106. La molécule d’amylose se présente sous la forme d’une hélice . L’amylopectine est composée de courtes chaînes d’unités glucose unies par des liens (1-4) et reliées entre elles par des liens (1-6) La masse moléculaire de l’amylopectine s’élève à 108, ce qui en fait la plus grosse macromolécule connue à ce jour.
Le rapport amylose/amylopectine, varient avec l’origine de l’amidon. Les autres propriétés de l’amidon (lier, épaissir, texturer, stabiliser, gélifier ...) varient également suivant son origine. Tous les types d’amidon commerciaux contiennent environ 0,2-0,6% de protéines résiduelles, sauf l’amidon de pomme de terre qui en contient, en général, 0,05%. Ces pourcentages dépendent des procédés d’obtention de l’amidon à partir des végétaux. L’excès d’eau produit une gélatinisation du granule d’amidon. Au-dessus d’un étroit intervalle de température le granule perd son ordre et gonfle irréversiblement avec Solubilisation préférentielle de l’amylose. Si on réduit la teneur en eau, la température de gélatinisation augmente et la transition devient plus complexe car on introduit une distribution hétérogène de l’eau dans l’échantillon.
b. Le caoutchouc
Le caoutchouc est un produit naturel, qui s’écoule de l’écorce d’un arbre. Il se présente sous la forme d’un liquide d’apparence laiteuse, appelé latex. Il s’agit en fait d’une émulsion de particules de caoutchouc dans un sérum aqueux qui contient diverses substances minérales
et organiques. Plusieurs espèces de plantes peuvent produire du latex mais la production commerciale de caoutchouc naturel est quasi-essentiellement assurée par l’hévéa (hevea brasiliensis).
Le latex est récolté quotidiennement en faisant une entaille dans l’arbre et en le laissant s’écouler dans un récipient. Le liquide finit par coaguler, il est donc nécessaire de raviver la blessure de l’arbre régulièrement. Le latex est filtré, centrifugé et coagulé par ajout d’acide formique ou acétique. Le caoutchouc obtenu est ensuite pressé et séché.
Structure et propriété
Le caoutchouc naturel est un polymère linéaire (cis-1,4-polyisoprène) de formule (C5H8)n ,constitué de 1000 à 5000 motifs isopréniques .
le caoutchouc est élastique, déformable (souple), imperméable. Il permet donc d’utiliser l’air comme ressort, d’absorber les irrégularités du sol, d’amortir les chocs. Il est capable de supporter des allongements importants (jusqu’à sept fois sa dimension au repos) et de reprendre quasi instantanément sa forme initiale;
il peut être renforcé au niveau macroscopique par des renforts métalliques et textiles, au niveau microscopique par des charges comme le noir de carbone ;
il peut être mis en forme, bien qu’élastique, par passage par une phase liquide visco-élastique (polymère fondu) à haute température ;
Son élasticité est stabilisée de manière permanente par la réticulation ;
il est amortissant dans certaines conditions de température et de fréquence (zone de transition vitreuse).
1.1.2 Les polymères biodégradables d’origine animale
a. Le polyhydroxyalcanoate
Les polyhydroxyalcanoate (PHA) sont des polyesters naturels qui servent de réserve d’énergie et de source de carbone à de nombreuses bactéries.
Les polyhydroxyalcanoates (PHAs) sont produits sous formes de granules par plus de 200 bactéries cette voie métabolique, qui fait intervenir des microorganismes sécrètent
Des enzymes qui attaquent le polymère et le clivent en de petits segments capables d’être métabolisés par la flore microbienne.dans un environnement aérobique, cette dégradation produit du méthane et du dioxyde de carbone. Jusqu’a présent, les bactéries constituent l’unique source de ces polyesters.
Un nouveau procédé de production de PHAs, homo et copolymères, par fermentation aérobie au départ de sucres et d’huiles naturelles. La fermentation, qui dure moins de 40 heures, conduit à une solution contenant de l’eau, des sels et des cellules qui renferment
jusqu’à 90% de leur poids en polymère sec. Les PHAs sont ensuite isolés et se présentent sous forme de latex ou de résines.
Structure et propriétés
Les PHA sont des polymères biodégradables et biocompatibles. Stables dans l’eau mais facilement biodégradables, Ils représentent une alternative aux matériaux plastiques non biodégradables
actuellement utilisés, mais leurs coûts de production restent encore peu compétitifs. Les PHA sont cristallins et rigides.
b. La chitine
La chitine est un polymère constitué d’unités N-acétyl –β- glucosamine (de 50 à 100 et d’unités D-glucosamine (de 0 à 50 ), et peut donc être considérée comme l’équivalent aminé de la cellulose. La source principale de ce polymère est la carapace des crustacés .elle est présente dans les co-produits sous forme de complexe chitine-protéines-minéraux (principalement du carbonate de calcium). Elle est extraite en trois étapes :
Déminéralisation par hydrolyse acide pour éliminer les minéraux ;
Déprotéinisation par hydrolyse basique pour éliminer les protéines ;
Décoloration (ou blanchiment) : étape facultative pour éliminer les pigments.
Structure et propriétés
La chitine est biocompatible, biodégradable, non toxique, permet ainsi son utilisation dans des domaines allant de l’agriculture à la médicine, le traitement des eaux polluées par les métaux lourds. Elle est caractérisée par la matière première dont elle est issue (crevette, calmar).
Son viscosité ou sont point moléculaire, son conformation et longueur de la chaine moléculaire ;
Son pureté qui dépend notamment des quantités des cendres et de protéine restantes, de la concentration en substance insoluble, en certaine métaux lourds.
c. Le collagène
Le collagène est une macromolécule fibreuse, de type glycoprotéine, présente dans le corps qui sert de soutien et de protection pour tous les tissus tels que la peau, les cartilages, les tendons, les ligaments, les muscles, les os, les organes, les cheveux et les ongles, cette protéine fibreuse agit comme une colle qui soutient les tissus ensemble ,et extrait de peaux, d’arêtes ou de d’écailles qui représente 30 des co-produits issus de la transformation des produits de la mer .
Déférentes étapes sont nécessaires pour obtenir du collagène :
Une extraction en milieu acide ;
Une précipitation sélective par le sel (chlorure de sodium NaCl) ;
Une solubilisation ;
Une dialyse ;
Une concentration par filtration tangentielle.
Structure et propriétés
Le collagène est constitué de trois chaines alpha polypeptidiques de 1050 acides aminés, la forme terminale est une triple hélice, longue de 300 nm et d’1 ,6 nm de diamètre environ, appelée tropocollagéne, Il a certaines propriétés mécaniques qui permettent de le manipuler.
- il est indispensable au développement cellulaire.
- il est biodégradable.
- pouvoir hémostatique.
- support naturel conférant une meilleure biodisponibilité à de nombreux actifs.
- action sur le développement cellulaire et sur la régénération tissulaire.
- capacité de rétention d’eau et propriétés filmogènes.
1.2. Les polymères biodégradables artificiels
Ces polymères résultent d’une modification chimique des fonctions portées par les unités monoméres d’un polymére naturel exemples :
a. Le polyacide lactique
Le poly (acide lactique), aussi dénommé polylactide (PLA) a suscité beaucoup d'attentions dans la recherche des polymères biodégradables alternatives, c’est un polyester aliphatique linéaire composé d'éléments constitutifs d'acide lactique (acide 2-hydroxy-propanoïque). Obtenu par fermentation bactérienne de l’amidon et d’autres polysaccharides.
Structure et propriétés
Il existe deux voies principales pour accéder à l’acide polylactique
voie 1 : La polycondensation directe qui conduit à des oligomères (polymères de faibles masses molaires Mw < 20 000 g/mol) L'acide lactique est polymérisé en présence d'un catalyseur à pression réduite. Cette méthode est la moins chère. Cependant, comme toute polymérisation par étapes, la polycondensation de l’acide lactique nécessite des temps réactionnels relativement longs [19]
voie 2 : La polymérisation par ouverture de cycles (ROP) : C’est la voie la plus utilisée industriellement qui permet d’accéder directement à des masses molaires élevées (Mw ≥ 100 000 g/mol), [20] Les mécanismes de polymérisation impliqués peuvent être ioniques (anionique ou cationique) ou de coordination-insertion. Cette voie consiste, dans un premier temps, la formation de lactide, dimère cyclique d'acide lactique (3,6-diméthyl 1,4-dioxane 2,5-dione)
Les voies d’obtention du PLA sont représentées par la figure suivant :
Il s'agit d'un thermoplastique biodégradable et compostable dérivé des ressources renouvelables. Ses propriétés de biocompatibilité et de biorésorbabilité et de résistance à l’élongation lui permettent d’accéder à des marchés à forte valeur ajoutée, tel que le biomédical. Sa capacité à la biodégradation présente un avantage essentiel dans le contexte de la valorisation des pièces plastiques en fin de vie et au niveau des conséquences sur l'impact environnemental des plastiques. Il est possible de le composter industriellement, l’incinérer sans émission de fumées nocives ou encore le recycler chimiquement pour refaire de l’acide lactique.
b. Acétate de cellulose
La cellulose provient du coton, du bois était seulement utilisée pour la fabrication d’acétate de cellulose (ester de cellulose) de basse qualité en raison de sa teneur en α-cellulose faible (entre 90-95%). Le procédé d’acétylation peut se développer soit en système homogène soit en phase hétérogène :
- Dans le cas du système homogène on utilise l’acide acétique glacial ou le chlorure de méthylène comme solvant. Le procédé hétérogène conduit à la formation de triacétate de cellulose, contrairement au cas du procédé homogène. Avant l’estérification, la cellulose est partiellement séchée et prétraitée avec l’acide acétique et parfois avec de petites quantités d’acide sulfurique de façon à améliorer la diffusion des réactifs d’acétylation. Après le procédé d’estérification en système homogène une hydrolyse contrôlée est réalisée pour réduire le degré de substitution jusqu’à la valeur requise. Après l’hydrolyse et la séparation des réactifs acétylant résiduels (acide acétique ou chlorure
de méthylène) le produit précipite et dans certains cas, quand on veut obtenir des produits de haute qualité, il est stabilisé et blanchi.
Les acétates de cellulose sont blancs, amorphes, non-toxiques, sans odeur, sans goût et moins inflammables que le nitrate de cellulose. En fonction de la teneur en groupes acétyle.
Structure et propriété
L’acétate de cellulose est soluble dans différents solvants organiques ou l’eau. Ils sont résistants aux acides faibles et largement stables dans les acides minéraux, les deux caractéristiques principales qui définissent les propriétés et les applications de l’acétate de cellulose sont sa viscosité en solution et son degré d’estérification ou teneur en groupes acétyle. La viscosité est une mesure du degré de polymérisation, Dans le cas des esters mixtes de cellulose, les propriétés comme la densité, le point de fusion, l’absorption de l’eau, l’humidité relative ou la solubilité varient largement en dépendance de la teneur en groupes acétyle.
c. Le chitosane
Le chitosane est un polymére artificiél résult de la désacétylation de la chitine.
Le chitosane peut être obtenue selon deux voies principales :
par voie chimique : à haute température par une base concentrée (NaOH).
par voie enzymatique avec la chitine –désacétylase.
Structure et propriété
Le chitosane possède les mêmes propriétés que la chitine sauf que :
Le chitosane est insoluble en milieu acide (pH<6 ,5) contrairement à la chitine qui insoluble.
- il est anti –bactérienne et anti oxydante.
- structure polycationique NH3 réagit avec la surface anionique des bactéries conduisant à la rupture de leur membrane.
1.3. Les polymères biodégradables synthétiques
Totalement issus du génie de l’homme, sont obtenus par polymérisation de monomères qui n’existe pas dans la nature, Leur variété est extrême on peut citer a titre d’exemple les trois cas suivantes :
a. Poly ( caprolactone)
L'un des polyesters aliphatiques pétrochimique les plus connus est assurément le poly ( caprolactone) ou PCL. Sa dégradation s'opère par clivage de la fonction ester par hydrolyse ou division enzymatique, il est commercialisé par les sociétés Solvay Interox (U.K.), Diacel (Japon) et Dow/Union sous le nom de CAPA©, Celgren. Il est principalement utilisé comme plastifiant et dans les domaines de l’emballage, des adhésifs.
Structure et propriétés
Le PCL peut être obtenue par polymérisation d'ouverture de cycle de la lactone correspondante, l' -caprolactone (obtenu à partir du pétrole), catalysée par un catalyseur à base d'étain, plus précisément, l'octoate d'étain.
Le PCL est hydrophobe, flexible et, sa résistance mécanique est de 33 MPa, partiellement cristallin (67%) sa masse molaire varie de 20000 jusqu’à 100000 g/mol et sa masse volumique est de l’ordre de 1,11 g/cm3. La température de transition vitreuse est de l’ordre de –60°C et sa température de fusion varie entre 58 et 61°C. La température de fusion relativement peu élevée, limite l’utilisation du PCL. Il est alors souvent mélangé avec d’autres polymères.
b. Le polybutylène succinate co-adipate (PBSA)
Le PBSA est un copolyester aliphatique, commercialisé sous le nom de Bionolle © par la société Showa Highpolymer (Japon).
Structure et propriétés
Le PBSA est un copolyester qui provient de la polycondensation de glycol (1,4-butandiol) avec de l’acide adipique et de l’acide succinique.
C’est un copolyester aliphatique, semi-cristallin possédant une température de fusion de l’ordre de 90 à 120°C .Sa température de transition vitreuse est de l’ordre de –45 à –10°C et sa masse volumique est égale à 1,25 g/cm3. La masse molaire du PBSA peut varier de 10 000 à 100 000 g/mol. La haute résistance chimique et thermique et la biodégradabilité du PBSA sont les propriétés qui favorisent son utilisation dans un large domaine d’applications. Malgré ceci, la production de ce polyester est limitée par son coût élevé.
c. Le polybutylène adipate co-téréphtalate (PBAT)
Est un polyester aromatique commercialisé à la fois par Eastman Chem (Eastar Bio®) et par BASF (Ecoflex®).
La demande du public en matière de matériaux renouvelables, devient de plus en plus importante en raison notamment d’une plus grande sensibilisation à la protection de l’environnement. D’où l’intérêt de substituer matériaux polymères tels que les matières plastiques par des polymères biodégradables.
L’accumulation de plastique dans notre environnement ,source de nuisance visuelle et de pollution des sols et des milieux maritimes ,la durée de vie d’un sac plastique abandonné en sol étant estimer à 200 ans ,même, le recyclage des matières plastiques par combustion pour la production d’énergie se heurte à la nécessité du retraitement du fumées ,et en particulier pour les plastiques contenant des halogènes ou du soufre ,et à la réduction des émissions de dioxyde de carbone issu de matières carbonées fossiles .le recyclage pour la fabrication de nouveaux matériaux se heurte quant à lui aux problèmes du tri et du nettoyage des matières rejetées . Ce qui accélère la recherche d’alternatives à ses matériaux.
Les polymères biodégradables comme alternatives capables de se dégrader après leur utilisation sans aboutir à une augmentation de la teneur en dioxyde de carbone atmosphérique et en sous-produits toxique pour l’environnement, constituent donc un domaine en plein essor, comme en témoigne, l’augmentation de leur capacité de production et leurs perspectives.
Un polymère est un enchaînement de motifs simples appelés monomères qui peuvent être identiques (homopolymère) ou non (copolymère). Le nombre de motifs monomères constituant la macromolécule est appelé degré de polymérisation (dp). Les polymères sont en général polymoléculaires, c'est à dire qu'ils sont composés de mélanges de molécules de tailles différentes, donc de dp différents. Leur masse molaire (La masse macromoléculaire est le produit de la masse moléculaire de motif élémentaire par l’indice de polymérisation) est très élevée et souvent supérieure à 10 000 g/mol.
Les polymères biodégradables sont des polymères qui sont aptes à subir un processus de décomposition sous forme dioxyde de carbone, méthane, eau, composés non organiques ou biomasse, tout sous l'action enzymatique des microorganismes.
1 .Classification des polymères biodégradables selon l’origine :
Il existe plusieurs façons de classifier les polymères soit en adoptant un point de vue chimique, thermique ou éventuellement selon son origine. Selon l’origine : on distingue trois types :
1.1. Les polymères biodégradables naturels
Sont des polymères qui existent dans la nature selon leurs provenances végétales, animales ou minérales.
1.1. 1. Les polymères biodégradables d’origine végétale
a. L’amidon
L'amidon est un sucre polyoside de formule brute n issu de la photosynthèse. L'amidon qui constitue la réserve en sucre des végétaux, se présente sous forme de grains de taille variable (1 à 200 μm) Les principales sources d’amidon sont le maïs, la pomme de terre, le blé, le manioc et le riz. La fabrication d’amidon commence par la séparation les constituants de la plante: l'amidon, la protéine, l'enveloppe cellulosique, les fractions solubles et etc.
Structure de base et propriétés
L’amidon est constitué d’un mélange de deux macromolécules, l’une linéaire, l’amylose, et l’autre branchée, l’amylopectine. L’amylose (entre 20 et 30 %) est un polymère Linéaire constitué d’unités glucose reliées entre elles par des liens (1-4) et possède une masse molaire entre 105 et 106. La molécule d’amylose se présente sous la forme d’une hélice . L’amylopectine est composée de courtes chaînes d’unités glucose unies par des liens (1-4) et reliées entre elles par des liens (1-6) La masse moléculaire de l’amylopectine s’élève à 108, ce qui en fait la plus grosse macromolécule connue à ce jour.
Le rapport amylose/amylopectine, varient avec l’origine de l’amidon. Les autres propriétés de l’amidon (lier, épaissir, texturer, stabiliser, gélifier ...) varient également suivant son origine. Tous les types d’amidon commerciaux contiennent environ 0,2-0,6% de protéines résiduelles, sauf l’amidon de pomme de terre qui en contient, en général, 0,05%. Ces pourcentages dépendent des procédés d’obtention de l’amidon à partir des végétaux. L’excès d’eau produit une gélatinisation du granule d’amidon. Au-dessus d’un étroit intervalle de température le granule perd son ordre et gonfle irréversiblement avec Solubilisation préférentielle de l’amylose. Si on réduit la teneur en eau, la température de gélatinisation augmente et la transition devient plus complexe car on introduit une distribution hétérogène de l’eau dans l’échantillon.
b. Le caoutchouc
Le caoutchouc est un produit naturel, qui s’écoule de l’écorce d’un arbre. Il se présente sous la forme d’un liquide d’apparence laiteuse, appelé latex. Il s’agit en fait d’une émulsion de particules de caoutchouc dans un sérum aqueux qui contient diverses substances minérales
et organiques. Plusieurs espèces de plantes peuvent produire du latex mais la production commerciale de caoutchouc naturel est quasi-essentiellement assurée par l’hévéa (hevea brasiliensis).
Le latex est récolté quotidiennement en faisant une entaille dans l’arbre et en le laissant s’écouler dans un récipient. Le liquide finit par coaguler, il est donc nécessaire de raviver la blessure de l’arbre régulièrement. Le latex est filtré, centrifugé et coagulé par ajout d’acide formique ou acétique. Le caoutchouc obtenu est ensuite pressé et séché.
Structure et propriété
Le caoutchouc naturel est un polymère linéaire (cis-1,4-polyisoprène) de formule (C5H8)n ,constitué de 1000 à 5000 motifs isopréniques .
le caoutchouc est élastique, déformable (souple), imperméable. Il permet donc d’utiliser l’air comme ressort, d’absorber les irrégularités du sol, d’amortir les chocs. Il est capable de supporter des allongements importants (jusqu’à sept fois sa dimension au repos) et de reprendre quasi instantanément sa forme initiale;
il peut être renforcé au niveau macroscopique par des renforts métalliques et textiles, au niveau microscopique par des charges comme le noir de carbone ;
il peut être mis en forme, bien qu’élastique, par passage par une phase liquide visco-élastique (polymère fondu) à haute température ;
Son élasticité est stabilisée de manière permanente par la réticulation ;
il est amortissant dans certaines conditions de température et de fréquence (zone de transition vitreuse).
1.1.2 Les polymères biodégradables d’origine animale
a. Le polyhydroxyalcanoate
Les polyhydroxyalcanoate (PHA) sont des polyesters naturels qui servent de réserve d’énergie et de source de carbone à de nombreuses bactéries.
Les polyhydroxyalcanoates (PHAs) sont produits sous formes de granules par plus de 200 bactéries cette voie métabolique, qui fait intervenir des microorganismes sécrètent
Des enzymes qui attaquent le polymère et le clivent en de petits segments capables d’être métabolisés par la flore microbienne.dans un environnement aérobique, cette dégradation produit du méthane et du dioxyde de carbone. Jusqu’a présent, les bactéries constituent l’unique source de ces polyesters.
Un nouveau procédé de production de PHAs, homo et copolymères, par fermentation aérobie au départ de sucres et d’huiles naturelles. La fermentation, qui dure moins de 40 heures, conduit à une solution contenant de l’eau, des sels et des cellules qui renferment
jusqu’à 90% de leur poids en polymère sec. Les PHAs sont ensuite isolés et se présentent sous forme de latex ou de résines.
Structure et propriétés
Les PHA sont des polymères biodégradables et biocompatibles. Stables dans l’eau mais facilement biodégradables, Ils représentent une alternative aux matériaux plastiques non biodégradables
actuellement utilisés, mais leurs coûts de production restent encore peu compétitifs. Les PHA sont cristallins et rigides.
b. La chitine
La chitine est un polymère constitué d’unités N-acétyl –β- glucosamine (de 50 à 100 et d’unités D-glucosamine (de 0 à 50 ), et peut donc être considérée comme l’équivalent aminé de la cellulose. La source principale de ce polymère est la carapace des crustacés .elle est présente dans les co-produits sous forme de complexe chitine-protéines-minéraux (principalement du carbonate de calcium). Elle est extraite en trois étapes :
Déminéralisation par hydrolyse acide pour éliminer les minéraux ;
Déprotéinisation par hydrolyse basique pour éliminer les protéines ;
Décoloration (ou blanchiment) : étape facultative pour éliminer les pigments.
Structure et propriétés
La chitine est biocompatible, biodégradable, non toxique, permet ainsi son utilisation dans des domaines allant de l’agriculture à la médicine, le traitement des eaux polluées par les métaux lourds. Elle est caractérisée par la matière première dont elle est issue (crevette, calmar).
Son viscosité ou sont point moléculaire, son conformation et longueur de la chaine moléculaire ;
Son pureté qui dépend notamment des quantités des cendres et de protéine restantes, de la concentration en substance insoluble, en certaine métaux lourds.
c. Le collagène
Le collagène est une macromolécule fibreuse, de type glycoprotéine, présente dans le corps qui sert de soutien et de protection pour tous les tissus tels que la peau, les cartilages, les tendons, les ligaments, les muscles, les os, les organes, les cheveux et les ongles, cette protéine fibreuse agit comme une colle qui soutient les tissus ensemble ,et extrait de peaux, d’arêtes ou de d’écailles qui représente 30 des co-produits issus de la transformation des produits de la mer .
Déférentes étapes sont nécessaires pour obtenir du collagène :
Une extraction en milieu acide ;
Une précipitation sélective par le sel (chlorure de sodium NaCl) ;
Une solubilisation ;
Une dialyse ;
Une concentration par filtration tangentielle.
Structure et propriétés
Le collagène est constitué de trois chaines alpha polypeptidiques de 1050 acides aminés, la forme terminale est une triple hélice, longue de 300 nm et d’1 ,6 nm de diamètre environ, appelée tropocollagéne, Il a certaines propriétés mécaniques qui permettent de le manipuler.
- il est indispensable au développement cellulaire.
- il est biodégradable.
- pouvoir hémostatique.
- support naturel conférant une meilleure biodisponibilité à de nombreux actifs.
- action sur le développement cellulaire et sur la régénération tissulaire.
- capacité de rétention d’eau et propriétés filmogènes.
1.2. Les polymères biodégradables artificiels
Ces polymères résultent d’une modification chimique des fonctions portées par les unités monoméres d’un polymére naturel exemples :
a. Le polyacide lactique
Le poly (acide lactique), aussi dénommé polylactide (PLA) a suscité beaucoup d'attentions dans la recherche des polymères biodégradables alternatives, c’est un polyester aliphatique linéaire composé d'éléments constitutifs d'acide lactique (acide 2-hydroxy-propanoïque). Obtenu par fermentation bactérienne de l’amidon et d’autres polysaccharides.
Structure et propriétés
Il existe deux voies principales pour accéder à l’acide polylactique
voie 1 : La polycondensation directe qui conduit à des oligomères (polymères de faibles masses molaires Mw < 20 000 g/mol) L'acide lactique est polymérisé en présence d'un catalyseur à pression réduite. Cette méthode est la moins chère. Cependant, comme toute polymérisation par étapes, la polycondensation de l’acide lactique nécessite des temps réactionnels relativement longs [19]
voie 2 : La polymérisation par ouverture de cycles (ROP) : C’est la voie la plus utilisée industriellement qui permet d’accéder directement à des masses molaires élevées (Mw ≥ 100 000 g/mol), [20] Les mécanismes de polymérisation impliqués peuvent être ioniques (anionique ou cationique) ou de coordination-insertion. Cette voie consiste, dans un premier temps, la formation de lactide, dimère cyclique d'acide lactique (3,6-diméthyl 1,4-dioxane 2,5-dione)
Les voies d’obtention du PLA sont représentées par la figure suivant :
Il s'agit d'un thermoplastique biodégradable et compostable dérivé des ressources renouvelables. Ses propriétés de biocompatibilité et de biorésorbabilité et de résistance à l’élongation lui permettent d’accéder à des marchés à forte valeur ajoutée, tel que le biomédical. Sa capacité à la biodégradation présente un avantage essentiel dans le contexte de la valorisation des pièces plastiques en fin de vie et au niveau des conséquences sur l'impact environnemental des plastiques. Il est possible de le composter industriellement, l’incinérer sans émission de fumées nocives ou encore le recycler chimiquement pour refaire de l’acide lactique.
b. Acétate de cellulose
La cellulose provient du coton, du bois était seulement utilisée pour la fabrication d’acétate de cellulose (ester de cellulose) de basse qualité en raison de sa teneur en α-cellulose faible (entre 90-95%). Le procédé d’acétylation peut se développer soit en système homogène soit en phase hétérogène :
- Dans le cas du système homogène on utilise l’acide acétique glacial ou le chlorure de méthylène comme solvant. Le procédé hétérogène conduit à la formation de triacétate de cellulose, contrairement au cas du procédé homogène. Avant l’estérification, la cellulose est partiellement séchée et prétraitée avec l’acide acétique et parfois avec de petites quantités d’acide sulfurique de façon à améliorer la diffusion des réactifs d’acétylation. Après le procédé d’estérification en système homogène une hydrolyse contrôlée est réalisée pour réduire le degré de substitution jusqu’à la valeur requise. Après l’hydrolyse et la séparation des réactifs acétylant résiduels (acide acétique ou chlorure
de méthylène) le produit précipite et dans certains cas, quand on veut obtenir des produits de haute qualité, il est stabilisé et blanchi.
Les acétates de cellulose sont blancs, amorphes, non-toxiques, sans odeur, sans goût et moins inflammables que le nitrate de cellulose. En fonction de la teneur en groupes acétyle.
Structure et propriété
L’acétate de cellulose est soluble dans différents solvants organiques ou l’eau. Ils sont résistants aux acides faibles et largement stables dans les acides minéraux, les deux caractéristiques principales qui définissent les propriétés et les applications de l’acétate de cellulose sont sa viscosité en solution et son degré d’estérification ou teneur en groupes acétyle. La viscosité est une mesure du degré de polymérisation, Dans le cas des esters mixtes de cellulose, les propriétés comme la densité, le point de fusion, l’absorption de l’eau, l’humidité relative ou la solubilité varient largement en dépendance de la teneur en groupes acétyle.
c. Le chitosane
Le chitosane est un polymére artificiél résult de la désacétylation de la chitine.
Le chitosane peut être obtenue selon deux voies principales :
par voie chimique : à haute température par une base concentrée (NaOH).
par voie enzymatique avec la chitine –désacétylase.
Structure et propriété
Le chitosane possède les mêmes propriétés que la chitine sauf que :
Le chitosane est insoluble en milieu acide (pH<6 ,5) contrairement à la chitine qui insoluble.
- il est anti –bactérienne et anti oxydante.
- structure polycationique NH3 réagit avec la surface anionique des bactéries conduisant à la rupture de leur membrane.
1.3. Les polymères biodégradables synthétiques
Totalement issus du génie de l’homme, sont obtenus par polymérisation de monomères qui n’existe pas dans la nature, Leur variété est extrême on peut citer a titre d’exemple les trois cas suivantes :
a. Poly ( caprolactone)
L'un des polyesters aliphatiques pétrochimique les plus connus est assurément le poly ( caprolactone) ou PCL. Sa dégradation s'opère par clivage de la fonction ester par hydrolyse ou division enzymatique, il est commercialisé par les sociétés Solvay Interox (U.K.), Diacel (Japon) et Dow/Union sous le nom de CAPA©, Celgren. Il est principalement utilisé comme plastifiant et dans les domaines de l’emballage, des adhésifs.
Structure et propriétés
Le PCL peut être obtenue par polymérisation d'ouverture de cycle de la lactone correspondante, l' -caprolactone (obtenu à partir du pétrole), catalysée par un catalyseur à base d'étain, plus précisément, l'octoate d'étain.
Le PCL est hydrophobe, flexible et, sa résistance mécanique est de 33 MPa, partiellement cristallin (67%) sa masse molaire varie de 20000 jusqu’à 100000 g/mol et sa masse volumique est de l’ordre de 1,11 g/cm3. La température de transition vitreuse est de l’ordre de –60°C et sa température de fusion varie entre 58 et 61°C. La température de fusion relativement peu élevée, limite l’utilisation du PCL. Il est alors souvent mélangé avec d’autres polymères.
b. Le polybutylène succinate co-adipate (PBSA)
Le PBSA est un copolyester aliphatique, commercialisé sous le nom de Bionolle © par la société Showa Highpolymer (Japon).
Structure et propriétés
Le PBSA est un copolyester qui provient de la polycondensation de glycol (1,4-butandiol) avec de l’acide adipique et de l’acide succinique.
C’est un copolyester aliphatique, semi-cristallin possédant une température de fusion de l’ordre de 90 à 120°C .Sa température de transition vitreuse est de l’ordre de –45 à –10°C et sa masse volumique est égale à 1,25 g/cm3. La masse molaire du PBSA peut varier de 10 000 à 100 000 g/mol. La haute résistance chimique et thermique et la biodégradabilité du PBSA sont les propriétés qui favorisent son utilisation dans un large domaine d’applications. Malgré ceci, la production de ce polyester est limitée par son coût élevé.
c. Le polybutylène adipate co-téréphtalate (PBAT)
Est un polyester aromatique commercialisé à la fois par Eastman Chem (Eastar Bio®) et par BASF (Ecoflex®).
Written by Unknown
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