Modélisation multi-échelle des relations entre structure et propriétés de transfert de matière dans des nano- et micro-composites pour l'emballage

Multi-scale modelling of structure and mass transfer relationships in nano- and micro-composites for food packaging

• Auteur / Autrice : Caroline Wolf
• Direction : Valérie Guillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 16/09/2014
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Agro-Polymères et Technologies Emergentes (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Guillard, Véronique Coma, Jack Legrand, Julien Bras, Ferruccio Doghieri, Nathalie Gontard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Véronique Coma, Jack Legrand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux hybrides

Aliments -- Emballage

Mots clés libres

Modélisation multi-échelle

Nano- et micro-composites

Transfert de gaz et de vapeur

Structure

Multi-Scale modelling

Nano- and micro-Composites

Mass transfer properties

Struture

Résumé

Malgré l'intérêt croissant que représente dans le domaine de l'emballage alimentaire la conception raisonnée de structures composites aux propriétés de transfert contrôlées, la compréhension des transferts de gaz et de vapeurs avec l'ajout de particules dans des polymères reste complexe. En vue d'apporter un nouvel éclairage à ce verrou scientifique, les travaux de thèse se sont focalisés sur les trois parties suivantes : - contribuer à une meilleure compréhension des transferts de matière dans les composites. Pour ce faire, une analyse exhaustive des données expérimentales de transfert de gaz et de vapeurs disponibles dans la littérature a été menée pour les nano- et micro-composites et une comparaison de ces données a été réalisée avec des modèles de tortuosité, basés sur des paramètres géométriques ; - comprendre et modéliser la perméabilité dans des composites avec deux phases perméables. Pour cela, les transferts de vapeur d'eau dans un composite (fibre de paille/bio-polyester) chargé avec des particules perméables ont été mesurés et décrits en détail, et une comparaison de ces données avec des modèles analytiques issus d'autres champs disciplinaires, prenant en compte la perméabilité dans la particule et dans la matrice, a été menée. Cette étude a mis en avant le manque de modèles adaptés pour la prédiction de la perméabilité dans les composites contenant des particules perméables ; - développer une nouvelle approche multi-échelle pour la prédiction de la perméabilité dans des composites prenant en compte les propriétés de transfert dans les particules et dans la matrice polymérique avec une représentation 2D de la structure du composite. Afin d'atteindre un niveau satisfaisant de validation du modèle, la détermination des paramètres expérimentaux tels que la diffusion dans les particules doit être améliorée. Cette nouvelle approche de modélisation ouvre la voie à la création d'outils d'ingénierie inverse pour le design de structures composites, ajustés aux besoins des aliments en termes de propriétés barrières.

Despite the global growing interest in the food packaging field for the design of tailored composite structures with controlled mass transfer properties, the understanding of the modulation of the mass transfer properties with the incorporation of particles in polymer still remains very complex. In order to throw light on this scientific problem, the thesis work was focused on the following parts: - providing a better understanding of mass transfer in composites. In this purpose an analysis of all experimental gas and vapour permeability data available in the literature has been carried out in nano- and micro- composites and a comparison of these data with predictions from tortuosity models based on few geometrical inputs has been achieved; - performing a detailed study of water vapour mass transfer in composites (wheat straw fibres/bio-polyester). These data were compared with the prediction of bi-phasic analytical models coming from other disciplinary fields. This part of the work has highlighted the lack of comprehensive and complete models for the prediction of permeability in composite with permeable particles; - developing of an innovative multi-scale approach for the prediction of mass transfer in bi-phasic composites considering both the particle and the polymer matrix properties with realistic 2D geometry of the composite structures has been proposed. For the sake of reaching a satisfactory validation level of the model, some experimental improvements are still needed to increase the accuracy of input parameters such as diffusivity of the particles.This new modelling approach open the way for the creation of a reverse-engineering toolbox for the design of tailor made composites structures, tightly adjusted to barrier properties requirements of the packed food.