Compréhension de la relation entre la microstructure du polylactide, sa mobilité macromoléculaire et ses propriétés barrière pour la création des emballages issus de ressources renouvelables de demain

Understanding structure/function relationships between polylactide microstructure, macromolecular mobility and barrier properties for the creation of tomorrows biobased packaging materials

• Auteur / Autrice : Samira Fernandes Nassar
• Direction : Sandra Domenek
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 22/02/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie Procédés Aliments (2009-2019)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Bruzaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Bruzaud, Eric Dantras, Valérie Gaucher, Philippe Roger, Jean-Marc Haudin, Nicolas Delpouve, Cyrille Sollogoub
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Dantras, Valérie Gaucher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Molécules -- Confinement

Cristallisation

Méthodologie

Recherche technique

Recherche

Conditionnement

Polymères biosourcés

Mots clés libres

Polylactide

Cristallisation

Mobilité macromoléculaire

Confinement

Propriétés barrières

Polylactide

Crystalization

Molecular mobility

Confinement

Barrier properties

Résumé

Ces dernières années, une attention particulière a été portée aux polymères biodégradables et biocompatibles, notamment du point de vue écologique. Le développement de biopolymères pour des applications d'emballage alimentaire implique des exigences industrielles spécifiques telles qu’un bas prix ainsi que de bonnes propriétés mécaniques, thermiques et barrières. Le Polylactide (PLA) a attiré beaucoup d’attention car il est produit à partir de ressources naturelles renouvelables, et en raison de sa capacité de mise en œuvre et de ses bonnes propriétés mécaniques. Pour que le PLA puisse être développé à grande échelle pour des applications industrielles dans le domaine de l’emballage, ses propriétés barrières doivent être améliorées. La cristallisation est une méthode très utilisée pour améliorer les propriétés barrières mais n'est pas suffisante dans le cas du PLA. De nouvelles stratégies sont étudiées pour obtenir des effets plus importants. L'une d'entre elles consiste à confiner géométriquement le polymère jusqu’à l’échelle nano en utilisant le procédé de co-extrusion multicouche combiné éventuellement avec un recuit. Cette technologie respecte l'environnement et a déjà prouvé son efficacité pour améliorer les propriétés barrières aux gaz dans le cas d'autres polymères.Cette étude propose d'abord le développement de films PLA avec des structures cristallines différentes dans le but d'optimiser les conditions de cristallisation pour obtenir de meilleures propriétés barrières à l'oxygène. Parmi les différentes structures cristallines obtenues, la perméabilité est la meilleure lorsque le PLA a été cristallisé rapidement à partir de l’état vitreux pour atteindre un degré de cristallinité élevé et un bon découplage de la phase amorphe et cristalline. Ensuite, le PLLA a été confiné par deux polymères amorphes, le Polystyrène et le Polycarbonate. Nous avons montré que le polymère confineur peut influencer la structure cristalline et la mobilité de la phase amorphe du PLLA, influençant ainsi sa perméabilité.

In recent years, much attention has been focused on biodegradable and biocompatible polymers, particularly from an ecological viewpoint. The development of biopolymers for food-packaging applications implies ecofriendly character to specific industrial requirements as low-cost and good mechanical, thermal and barrier properties. Polylactide (PLA) has been attracting great attention, because it can be obtained from renewable sources, and due to its good process ability and mechanical properties. As one of the major challenges for high performance PLA packaging at a large scale is the improvement of its gas barrier properties, the tailoring of the PLA microstructure. Crystallization is a method used to improve barrier properties but is not sufficient in the case of PLA. New strategies are actually studied to obtained stronger effects. One of them consists in the geometrical confinement of the polymer at the molecular scale using the layer-multiplying co-extrusion process combined eventually with annealing processes to create nanometric thickness layers.This technology is environmentally friendly and has already proved its efficiency to improve the gas barrier properties in case of other polymers. This study first proposes the development of PLA films with different structures crystalline with the aim of optimize the crystallization conditions to get better oxygen barrier properties. Among the different crystalline structures obtained, permeability was better when PLA was rapidly crystallized from glass to reach a high crystallinity degree and decoupling of the amorphous and crystalline phase. Then, PLLA was confined by two amorphous polymers, polystyrene and polycarbonate, and its crystals structure and amorphous mobility was changed. We showed that the confiner polymer could influence PLLA confinement, both in the crystalline phase and in the amorphous phase, thus influencing its permeability.