Modifications de surface de nanocristaux de cellulose pour des applications d'emballage alimentaires biosourcés

Surface modifications of cellulose nanocrystals for biobased food packaging applications

• Auteur / Autrice : Manon Le Gars
• Direction : Julien Bras, Philippe Roger, Mohamed Naceur Belgacem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 05/03/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés pour la bioraffinerie, les matériaux bio-sourcés et l’impression fonctionnelle (Grenoble, Isère, France ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Evelyne Mauret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Angellier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bénédicte Lepoittevin, José Maria Lagaron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanocellulose

Nanocristaux de cellulose

Copolymères greffés

Perméabilité

Mots clés libres

Propriétés barrières

Greffage chimique

Nanocomposites

Modification de surface

Nanocristaux de cellulose

Nanocellulose

Barrier properties

Surface modification

Chemical grafting

Composites

Cellulose nanocrystals

Nanocellulose

Résumé

Ce projet vise à développer de nouvelles modifications chimiques de surface des nanocristaux de cellulose (NCC), afin d'améliorer leur compatibilité avec le polymère biosourcé qu'est l'acide polylactique (PLA), afin de combiner leurs propriétés intrinsèques respectives. Ainsi, des matériaux multiphasiques ont été produits à partir de PLA en y incluant des nanomatériaux cellulosiques. L'application visée est celle de l'emballage alimentaire, et l'amélioration des propriétés barrières du PLA, notamment vis-à-vis de l'oxygène et de la vapeur d'eau, est alors un point clé dans la caractérisation des produits finis. Plus précisément, dans ce projet, différentes voies sont proposées pour le greffage de divers composés - polymères ou molécules - à la surface des nanocristaux de cellulose. Le succès de ces greffages a été confirmé et quantifié via diverses techniques de caractérisation. Les NCC ainsi modifiés sont ensuite introduits dans un matériau PLA à travers deux stratégies différentes : soit en tant que nanocharges dans une matrice PLA, avec des taux d'inclusion compris entre 2 et 10% massique, soit en tant que couches internes dans des matériaux multicouches de PLA. Dans les deux cas, les matériaux finaux, préparés à partir de PLA et de nanomatériaux cellulosiques modifiés, présentent des propriétés intéressantes et encourageantes en termes d'homogénéité, de transparence, et de barrière à l'oxygène et à la vapeur d'eau, conformément aux propriétés requises pour les matériaux de conditionnement alimentaire.

The purpose of this project is to develop new surface chemical modifications of cellulose nanocrystals (CNCs), in order to enhance their compatibility with biobased poly(lactic acid) (PLA) polymer, and to combine their respective outstanding intrinsic properties. Biobased PLA-based multi-phase materials, including the designed nanostructures, are produced. Furthermore, the final materials are expected to be used in food packaging sector, and the improvement of the barrier properties of the PLA, especially towards oxygen and water vapour, is a key point in the characterization of the materials. In this project, different routes are proposed for the grafting of various compounds - polymers or singles molecules - on the surface of the CNCs. Their grafting efficiency has been confirmed and carefully characterized. The modified CNCs are then introduced in PLA-based materials via two different strategies. Indeed, they are either used as nanofillers in a PLA matrix with inclusion rates comprised between 2 and 10 wt%, or as an inner layer of PLA-based multi-layered materials. In both cases, final PLA-based materials including various designed cellulosic nanomaterials exhibit enhanced and highly encouraging properties in terms of homogeneity, transparency, and barrier towards oxygen and water vapour, in accordance with required properties for food packaging materials.