A partir de l'amidon

Les polymères à mémoire de forme « classiques » sont des molécules à structure complexe (souvent des copolymères) dont la synthèse chimique est difficile et coûteuse et leur impact peut être néfaste pour l’environnement. Leur utilisation est donc plutôt réservée pour des applications à haute valeur ajoutée comme les matériaux biomédicaux, les traceurs de température, ou la micromécanique.
L’étude de la transformation et des propriétés de matériaux amylacés à l’état vitreux, notamment leur capacité à stocker des contraintes résiduelles, a permis de mettre au point un procédé pour la fabrication de matériaux à mémoire de forme à base d’amidon.

des matériaux à forme temporaire

L’amidon à mémoire de forme est mis en œuvre selon un cycle thermomécanique précis, présenté sur la figure 1. Il est obtenu par extrusion dans des conditions classiques (T=120°C, teneur en eau de 25%). Une forme F1 (cylindre torsadé dans l’exemple) lui est donnée à chaud, directement en sortie de filière, et figée par refroidissement rapide.

Une nouvelle forme temporaire F2 (cylindre déplié dans l’exemple), lui est donnée lors d’un chauffage ultérieur à une température supérieure à celle de sa transition vitreuse (Tg). Cette forme est figée par refroidissement à température ambiante, sous contrainte mécanique.
La recouvrance de la forme initiale (F2 à F1) se produit spontanément si la température de l’objet devient supérieure à sa Tg, par exemple quasi-instantanément par un chauffage micro-ondes, plus lentement dans l’eau chaude, ou par friture en bain d’huile.

Recouvrer la forme initiale...

La recouvrance de forme peut aussi être obtenue par prise d’eau des matériaux amylacés placés en atmosphère humide, tel que présenté sur la figure 2. La forme initiale F1 (impression en relief du sigle « INRA » sur des bandes extrudées) est totalement effacée par thermomoulage en un barreau de longueur 3,5 cm (2 minutes à 300 Bar et 120°C).
La recouvrance du sigle « INRA » se produit en 72h lors de l’hydratation des échantillons en humidité relative élevée (HR=97% à 20°C).



Figure 2. De haut en bas : échantillons d’amidon de pomme de terre avec colorants alimentaires vert et rouge et échantillon de farine de maïs


Les mécanismes impliqués (orientations macromoléculaires) peuvent être mis en évidence par l’étude des contraintes résiduelles stockées dans les échantillons sous la forme temporaire F2. Ainsi, le sigle « INRA », caché en lumière normale, est révélé en lumière polarisée (figure 3). 
 



Figure 3. Le sigle « INRA » cachée dans la forme F2 est visible en lumière polarisée.

Des usages diversifiés dans le biomédical ou l'agroalimentaire

La mémoire de forme de l’amidon peut être exploitée pour des applications classiques des polymères à mémoire de forme, comme des traceurs d’humidité intégrés dans des emballages de produits alimentaires. Les produits étant comestibles, des applications peuvent également être trouvées en agroalimentaire, par exemple des produits céréaliers à forme variable.
Une collaboration avec l’INSERM devrait aussi permettre de valider les applications de ces matériaux dans le domaine biomédical, tel que pour la réalisation d’implants résorbables ou de systèmes de relargage différé de principe actif.


Ces travaux ont fait l'objet d'un Dépôt de brevet Européen (04/2008) : EP 08300188.3

Référence
Chaunier, L. and Lourdin, D. 2009. The shape memory of starch. Starch/Stärke. Vol. 61 : 116-118

Partenaires
Des travaux sont en cours avec l'ADEME, pour élucider les mécanisme de formation et de relaxation des contraintes résiduelles dans des matériaux amylacés.