Etude des liens entre la nano-/microstructure 3D et les propriétés barrières de films de MFC laminés par voie humide sur des papiers et un carton. Application aux emballages alimentaires

Towards the link between the 3D Nano-/Microstructures and the Barrier Properties of MFC Film Wet Laminated on Paper and Paperboard. Application to food packaging

• Auteur / Autrice : Nelly Vanessa Padilla Bello
• Direction : Sabine Rolland du Roscoat, Christian Geindreau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux,mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 17/12/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble, Isère, France ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures, risques (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Luc Salvo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Angellier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Maire, Jérôme Vicente

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aliments -- Emballages

Traitement d'images

Microtomographie

Fibres végétales (matériaux de construction)

Mots clés libres

Matériaux cellulosiques

Nano/microtomographie à rayons X synchrotron

Fib-Sem

Analyse d'images

Propriétés microstructurales

Propriétés barrières

Cellulosic materials

Synchrotron X-Ray nano/microtomography

Fib-Sem

Image processing

Microstructural properties

Barrier properties

Résumé

Les matériaux cellulosiques, tels que des papiers et des cartons, sont de bons candidats pour remplacer le plastique dans les emballages alimentaires. Ces matériaux sont hydrophiles et ont en général de mauvaises propriétés barrière qui affectent la durée de conservation des aliments en raison de la migration des contaminants. La lamination humide de films de cellulose microfibrillée (MFC) sur des matériaux cellulosiques tels que des papiers et des cartons semble être un moyen prometteur d'améliorer leurs propriétés barrières en formant un matériau bicouche. Ces propriétés barrières dépendent des propriétés microstructurales (porosité, connectivité des pores, surface spécifique, ...) des deux couches, notamment du film MFC, qui sont encore mal connues. Dans ce travail, une approche multi-échelle est proposée pour caractériser la microstructure de ces matériaux bicouches en combinant trois méthodes d'imagerie 3D : la nano- et micro-tomographie synchrotron par rayons X ainsi que la tomographie FIB-SEM. Différents matériaux bicouches ont été élaborés pour souligner l'influence des matériaux de base (deux papiers et un carton) et du film MFC (deux qualités MFC, deux grammages : 15 g/m2 et 25 g/m2) sur la nano/microstructure 3D. Parallèlement, les propriétés barrières (perméabilité, taux de transmission de l'oxygène et de la vapeur d'eau (OTR et WVTR) et indice de Cobb à l'eau et à la graisse) de ces matériaux bicouches, ainsi que leurs propriétés de surface (mouillabilité et rugosité) et leurs propriétés d'adhésion (force de décollement) ont été mesurées à l'aide de dispositifs standards. Pour la première fois, une représentation 3D complète de ces matériaux bicouches est obtenue et plusieurs paramètres microstructuraux (porosité, profil de porosité, distribution de la taille des pores, surface de contact entre les deux couches, etc.) ont été estimés. Quelle que soit l'échelle considérée, nos résultats ont montré que : (i) les deux films présentent une structure dense avec une très faible porosité. (ii) les films MFC produits avec les plus petites fibrilles forment des couches plus homogènes et moins poreuses avec une plus grande surface de contact avec les matériaux de base. De plus, le réseau poreux de ces films n'est pas connecté, quel que soit le grammage considéré, (iii) le réseau poreux des films MFC 15 g/m2 produits avec les plus grandes fibrilles MFC est connecté à travers l'épaisseur du film. Les propriétés barrière mesurées de ces matériaux bicouches sont conformes à ces observations. En effet, les matériaux bicouches avec le film MFC produit avec les plus petites fibrilles ont les meilleures propriétés barrières et une meilleure adhésion sur les papiers et le carton étudiés, quel que soit le traitement de surface appliqué. Les films MFC de 15 g/m2 produits avec les plus grandes fibrilles présentent les plus mauvaises propriétés de barrière en raison de la présence de pores connectés à travers l'épaisseur du film. Tous ces résultats ouvrent la voie afin d’optimiser les propriétés des films de MFC pour répondre aux exigences de l'emballage alimentaire.

Cellulose-based materials, such as papers and boards, are suitable for replacing plastic in food packaging. These materials are hydrophilic and may have poor barrier properties that affect the shelf-life of food due to the migration of contaminants. The wet lamination of microfibrillated cellulose films on base materials such as papers and boards appears as a promising alternative to improve their barrier properties by forming a bilayer material. The barrier properties of the assembly depend on the microstructural properties (porosity, connectivity of the voids, specific surface area, contact surface area between the two layers...) of both layers, notably the MFC film which is poorly well known. In this work, a multiscale approach is proposed to characterize the microstructure of such bilayer materials by combining three 3D image methods: synchrotron X-ray micro- and nano-tomography along with FIB-SEM tomography. Different configurations of bilayer materials have been considered to underline the influence of the base materials (two papers and one paperboard) and the MFC film (two MFC grades, two basis weights: 15 g/m2 and 25 g/m2) on their 3D nano-/microstructure. In parallel, the barrier properties (permeability, oxygen and water vapor transmission rate (OTR and WVTR), and Cobb index to water and grease) of such bilayer materials, as well as their surface (wettability and roughness) and adhesion (peeling force) properties have been measured using standards. For the first time, a full 3D representation of such bilayer materials is obtained and several microstructural parameters (porosity, porosity profile, pores size distribution, contact surface area between the two layers, etc.) have been computed. Regardless of the scale under consideration, our results showed that: (i) the films present a dense structure with very low porosity. (ii) MFC films produced with the smallest MFC fibrils led to more homogeneous and less porous layers with a larger contact surface with the base materials. Moreover, the porous network of such films is not connected, regardless of the basis weight being considered, (iii) the porous network of MFC films 15 g/m2 produced with the largest MFC fibrils is connected through the thickness of the film. The measured barrier properties of this bilayer material are in line with these observations. Indeed, bilayer materials with the MFC film produced with the smallest MFC fibrils have the best barrier properties and a better adhesion on papers and paperboard under consideration, with any surface treatment. MFC films 15 g/m2 produced with the largest MFC fibrils present the worst barrier properties due to the presence of connected pores through the film thickness. All these results open the way for optimizing the properties of the MFC films to satisfy the requirements for food packaging.