Nouveaux matériaux multicouches à base de cellulose et de biopolymères pour l’emballage alimentaire: formalisation des relations structure/propriétés de transfert de matière.

New multilayered materials based on cellulose and biopolymers for food packaging : Formalization of structure/mass transfer properties relationships.

• Auteur / Autrice : Allison Vercasson
• Direction : Hélène Angellier-coussy, Valérie Guillard
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : APAB-Sciences des Procédés des Matériaux, Bioproduits et Aliments
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 19/09/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IATE - Ingénierie des Agropolymères et Technologies Emergentes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : eco-efficient Polymeric and Organic Packaging - ePOP
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Avallone
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Angellier-coussy, Douglas Bousfield, Julien Bras, Aurélia Charlot, Sergio Torres-giner, Valérie Guillard, Sébastien Gaucel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Douglas Bousfield, Julien Bras

Mots clés

Mots clés libres

Papier enduits

Relations structure/propriétés de transfert de masse

Transfert d'oxygène et de vapeur d'eau

Mise en oeuvre de polymères (thermocompression et electrospinning)

Modélisation des transferts de masse

Qualité des données

Coated papers

Structure/mass transfer properties relationships

Oxygen and water vapor transfers

Polymer processing (thermocompression and electrospinning)

Mass transfer modelling

Data quality

Résumé

L'objectif de cette thèse est de formaliser les relations structure/propriétés de transfert dans les matériaux multicouches destinés à l'emballage alimentaire, combinant un support cellulosique (carton) et une couche barrière de biopolymère, appelés ''cartons enduits''. Lorsqu’une couche de polymère est appliquée sur un substrat cellulosique poreux, type papier/carton, une partie de ce polymère pénètre inévitablement dans le substrat, créant une structure complexe composée d’au moins trois couches : une couche de polymère, une couche imprégnée (composée de polymère enduit et de fibres), et une couche de carton non-imprégnée. Il est possible de supposer que la présence d’une couche imprégnée, qui aurait des propriétés différentes du polymère et du carton, puisse influencer les propriétés du carton enduit. À partir des verrous scientifiques identifiés dans la littérature, trois questions scientifiques ont été soulevées : (1) Comment caractériser la structure et les propriétés barrières des cartons enduits de polymère ? (2) Comment produire des cartons enduits de polymère ayant des structures modèles contrôlées et contrastées ? et (3) Comment formaliser les relations structure/propriétés de transfert pour ces matériaux ? Pour répondre à ces questions, trois polymères ont été étudiés : deux biopolymères, le poly(hydroxybutyrate-co-valérate) (PHBV) et le poly(butylène succinate) (PBS), ainsi qu'un polymère conventionnel utilisé comme référence, le polyéthylène basse densité linéaire (LLDPE). La première partie de ce projet de recherche se concentre sur le développement et l'optimisation de méthodes pour caractériser la structure complexe des cartons enduits de polymère et leurs propriétés barrières vis-à-vis de l'oxygène et de la vapeur d'eau. Un modèle analytique innovant a été développé et comparé à l'analyse d'images SEM et µCT pour déterminer l'épaisseur de chacune des couches composant les cartons enduits. Une méthodologie a été proposée afin d’éviter les effets bords se produisant lors de la caractérisation des propriétés de transfert des cartons enduits asymétriques ont également été mis en évidence et expliqués. La deuxième partie est dédiée à la production de structures modèles, contrôlées et contrastées de cartons enduits de polymère. Pour ce faire, deux techniques différentes ont été utilisées : la thermocompression et l'électrospinning, utilisant respectivement le PHBV et le PBS comme enduits. Concernant la thermocompression, un plan d'expérience (DOE) couplé avec du Scoping Design a été développé afin de prédire la structure des cartons enduits de polymère en utilisant les paramètres de thermocompression. À partir de ces techniques, neuf structures contrastées de cartons enduits ont été produites. Enfin, la dernière partie se concentre sur la formalisation des relations structure/propriétés de transfert de masse. Un indice de qualité a été développé et appliqué aux données collectées pour évaluer leur réutilisabilité et leur qualité. Les propriétés barrières et mécaniques des cartons enduits de polymère produits avec des structures contrastées ont été évaluées, et l'influence de l'épaisseur de chaque couche a été discutée. Une prédiction des propriétés barrières en utilisant des modèles de résistance a été investiguée. Cependant, aucun des modèles ne permet de prédire avec précision les propriétés de transfert de masse des matériaux considérés. Cependant, certains modèles utilisés sur les matériaux blends permettent de déterminer les propriétés de transfert de masse de la couche imprégnée. Ce projet de thèse apporte de nouvelles connaissances sur la caractérisation (tant structurelle que des propriétés barrières) et la production de cartons enduits de polymère, tout en soulignant le manque de modèles dans la littérature pour prédire leurs propriétés barrières, suggérant que d'autres modèles adaptés à ces matériaux devraient être développés.

The objective of this thesis is to bring new knowledge and to formalize the relationships between the structure and the mass transfer properties in multilayer materials intended for food packaging, combining a cellulose support (cardboard) and a thin barrier layer of a biopolymer, so-called ''polymer-coated cardboards''. When applying a polymer coating to a porous and fibrous cellulose support such as cardboard, a part of the coated polymer inevitably penetrates, leading to the formation of a complex structure with at least three-layer: a dense polymer coating layer, an impregnated layer (composed of both polymer coating and cellulosic fibers), and a non-impregnated cardboard layer. It was therefore assumed that the presence of an impregnated layer, which would exhibit properties that differ significantly from those of the bulk polymer or cellulose substrate, may influence the coated cardboards properties. From the scientific bottlenecks identified in the literature, three scientific questions were raised: (1) How to characterize the structure and the barrier properties of polymer-coated cardboards?, (2) How to produce polymer-coated cardboards with controlled and contrasted model structures?, and (3) How to formalize structure/mass transfer properties relationships in polymer-coated cardboards? To answer these questions, three different polymers have been chosen : two biopolymers, poly(hydroxybutyrate-co-valerate) (PHBV) and poly(butylene succinate) (PBS), and one conventional polymer used as benchmark, linear low-density polyethylene (LLDPE). The first part of this work focuses on the development and optimization of methods to characterize the complex structure of polymer-coated cardboards and their barrier properties towards oxygen and water vapor. An innovative analytical model was developed, and compared to SEM and µCT image analysis, to determine the thickness of each layer composing polymer-coated cardboards. A methodology was proposed to prevent edge effects occurring when characterizing mass transfer properties of asymmetric polymer-coated cardboards. The second part is dedicated to the production of controlled and contrasted model structures of polymer-coated cardboards. To do so, two different techniques were used: thermocompression and electrospinning, using respectively PHBV and PBS as polymer coatings. Regarding the thermocompression process, a design of experiment (DOE) couple with Scoping Design has been developed in order to predict the structure of polymer-coated cardboard using the thermocompression parameters. From these two coating techniques, nine contrasted structures of polymer-coated cardboards have been produced. Finally, the last part focuses on the formalization of structure/mass transfer properties relationships. A quality index, calculated from the metadata associated to the permeation data, was developed and applied to data collected in the literature to assess their reusability. The applicability of available data to predict permeation properties using a serial resistance model was tested. The barrier and mechanical properties of the produced polymer-coated cardboards with contrasted structures were assessed and the influence of the thickness of each layer was discussed. A prediction of the barrier properties using resistance models was investigated. However, none of the models allowed to accurately predict the mass transfer properties of the considered materials. Models previously developed for polymer blends enabled the determination of the mass transfer properties of the impregnated layer. This PhD thesis brings new knowledge on the characterization (both structure and barrier properties) and the production of polymer-coated cardboards, while highlighting the lack of models in the literature to predict their barrier properties, suggesting that further models adapted to these materials should be developed.