Polysaccharide nano crystal reinforced nanocomposites

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Abstract

There are numerous examples of animals or plants that synthesize extracellular high-performance skeletal biocomposites consisting of a matrix reinforced by nano sized crystalline domains. Cellulose and chitin are classical examples of these reinforcing elements, which occur as whisker-like microfibrils that are biosynthesized and deposited in a continuous fashion. In many cases, this mode of biogenesis leads to crystalline microfibrils that are almost defect-free, and whose axial physical properties therefore approach those of perfect crystals. During the last decade we have attempted to mimic biocomposites by blending cellulose or chitin whiskers from different sources with polymer matrices. Aqueous suspensions of such nano crystals can be prepared by acid hydrolysis of the substrate. The object of this treatment is to dissolve away regions of low lateral order so that the water-insoluble, highly crystalline residue may be converted into a stable suspensoid by subsequent vigorous mechanical shearing action. The resulting nano crystals occur as rod-like particles or whiskers, whose dimensions depend on the nature of the substrate. They are typically a few hundred nm long and between 5 and 20 nm in diameter. Starch can also be used as a source for the production of nano crystals. The constitutive nano crystals appear as platelet-like nano particles with a length ranging between 20 and 40 nm, a width ranging between 15 and 30 nm, and a thickness ranging between 5 and 7 nm. Since the first announcement of using cellulose whiskers as a reinforcing phase, they have been used extensively as model fillers in several kinds of polymeric matrices, including synthetic and natural ones. Casting mixtures of polysaccharide nano crystals and lattices led to the production of nano composite materials with drastically enhanced mechanical properties, especially at T > Tg of the matrix, by virtue of the formation of a whiskers network, even when the whisker volume fraction was only a few percent. The formation of this rigid network, resulting from strong interactions between whiskers, was assumed to be governed by a percolation mechanism. This hydrogen-bonded network induced a thermal stabilization of the composite up to 500 K, the temperature at which polysaccharides start to decompose. Any factors that perturb the formation of this percolating network directly affect the reinforcing effect of polysaccharide nano crystals. In addition to some practical applications, the study of these nano composite materials can help researchers understand such physical properties as the geometric and mechanical percolation effect.

Il existe de nombreux exemples d'animaux ou de plantes qui synthétisent des biocomposites haute performance constitués d'une matrice renforcée par des domaines cristallins de taille nano métrique. La cellulose et la chitine sont des exemples classiques de ces éléments de renfort qui se présentent sous la forme de microfibrilles biosynthétisées et arrangées de manière régulière. Ce mode de biogenèse conduit généralement à des microfibrilles cristallines pratiquement exemptes de défauts présentant donc des propriétés physiques axiales proches de celles du cristal parfait. Au cours de la dernière décennie, nous avons tenté de mimer ces biocomposites en mélangeant des whiskers de cellulose ou de chitine de différentes sources avec des matrices polymères. Des suspensions aqueuses de ces nano cristaux peuvent être préparées par hydrolyse acide du substrat. L'objectif de ce traitement est de dissoudre les régions de faible cohésion de sorte que le résidu insoluble fortement cristallin soit transformé en une suspension stable par une action mécanique de cisaillement vigoureuse. Les nano cristaux résultants se présentent sous forme de particules en bâtonnet ou whiskers, dont les dimensions dépendent de la nature du substrat. Leur longueur typique est de l'ordre de 100 nm et le diamètre varie entre 5 et 20 nm. L'amidon peut également être utilisé comme source pour la préparation de nano cristaux. Ces nano cristaux se présentent sous forme de plaquettes de longueur comprise entre 20 et 40 nm, de largeur située entre 15 et 30 nm et d'épaisseur comprise entre 5 et 7 nm. Depuis la première étude sur l'utilisation des whiskers de cellulose comme phase renforçante, ceux-ci ont été largement utilisés comme charge modèle dans différents types de matrice polymère, synthétique ou naturelle. Le mélange de nano cristaux polysaccharide et de latex par coulée permet d'obtenir des matériaux nano composites avec des propriétés mécaniques nettement améliorées, notamment à T > Tg de la matrice, grâce à la formation d'un réseau de whiskers, même pour des fractions volumiques de whiskers de quelques pourcents. Il a été proposé que la formation d'un réseau rigide, résultant d'interactions fortes entre whiskers, est gouverné par un mécanisme de percolation. Ce réseau obtenu par liaisons hydrogène conduit à la stabilisation du composite jusqu'à 500 K, température à partir de laquelle les polysaccharides se décomposent. Tout facteur qui perturbe la formation de ce réseau percolant affecte directement l'effet de renfort des nano cristaux polysaccharides. Hormis des applications pratiques, l'étude de ces matériaux nano composites peut aider à la compréhension de certaines propriétés physiques comme les phénomènes de percolation géométrique et mécanique. Mots-clés: nano composites, polysaccharide, polymère, cellulose, nano cristal.[Traduit par la Rédaction]

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