Développement d'emballages alimentaires hautement barrière à base d'EVOH : amélioration des performances vers une meilleure soutenabilité

Development of High-Barrier EVOH-Based Food Packaging Systems: Enhancing Performance towards Sustainability

• Auteur / Autrice : Gianmarco Mallamaci
• Direction : Cyrille Sollogoub
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur spécialité Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 20/12/2024
• Etablissement(s) : Paris, CNAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pimm - Laboratoire Procédés et ingénierie en mécanique et matériaux
• Jury : Président / Présidente : Loïc Hilliou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyrille Sollogoub, Matthieu Gervais, Alain Guinault, Debora Puglia, Ana Carolina López de dicastillo bérgamo, Valerie Gaucher
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Debora Puglia, Ana Carolina López de dicastillo bérgamo

Mots clés

Mots clés libres

Film polymères

Emballage alimentaire

Films multicouches

Evoh

Propriétés barrière

Food packaging

Multilayer films

Polymers film

Evoh

Barrier properties

Résumé

Cette thèse traite des défis liés à l'amélioration des propriétés des systèmes d'emballage alimentaire à haute barrière à base de copolymères d'éthylène et d'alcool vinylique (EVOH). Ce polymère est largement utilisé dans l'emballage alimentaire en raison de ses excellentes propriétés barrière aux gaz, étroitement liées à sa structure cristalline et à son réseau de liaisons hydrogène. Cependant, ces mêmes caractéristiques le rendent également très sensible à l'humidité. La solution classique consiste à développer des structures multicouches où l'EVOH est protégé par des couches extérieures résistantes à l'humidité, généralement des polyoléfines. Bien que cette méthode permette de préserver efficacement les propriétés barrières de l'EVOH en conditions humides, elle soulève de nouveaux défis, notamment en ce qui concerne la recyclabilité de ces structures multicouches. L'immiscibilité des différents polymères et la difficulté à les séparer lors des processus de recyclage posent d'importantes préoccupations environnementales, surtout à l'heure où l'industrie de l'emballage cherche des solutions plus durables. La première approche proposée dans ce travail consiste à explorer les effets synergiques de la stratification et de l'étirage sur un système bien connu dans l’emballage alimentaire, composé de PE et d'EVOH. Plus précisément, l'impact d'un post-traitement d'étirage a été évalué sur des films comportant un nombre variable de couches alternées, obtenus par le procédé de coextrusion multicouche. Ensuite, un nouveau système semi-industriel composé d'alcool polyvinylique (PVA) et d'EVOH a été développé, en mettant l'accent sur l'effet des interactions interfaciales accrues entre les deux polymères chimiquement compatibles sur les propriétés finales du film. Enfin, la modification de la matrice EVOH avec des additifs durables, capables d'interagir avec le réseau de liaisons hydrogène du polymère, a été étudiée afin d'améliorer davantage les propriétés finales du matériau.

This thesis addresses the challenges of enhancing the properties of high-barrier food packaging systems based on Ethylene-vinyl alcohol copolymer (EVOH). This polymer is widely used in food packaging due to its excellent gas barrier properties, which are strongly connected to its crystalline structure and hydrogen bond network. However, these same characteristics also make it highly sensitive to moisture. Classical solutions consist of developing multilayer structures where EVOH is shielded by moisture-resistant outer layers, typically polyolefins. While this approach effectively maintains EVOH's barrier properties in humid conditions, it introduces new challenges, particularly regarding the recyclability of these multilayer structures. The immiscibility of different polymers and the difficulty of separating them during recycling present significant environmental concerns, especially as the packaging industry pushes for more sustainable solutions. The first approach proposed in this work is to investigate the synergistic effects of layering and stretching on an existing food packaging system composed of PE and EVOH. Specifically, the impact of post-processing stretching was evaluated on films with varying numbers of alternating layers, produced via multilayer coextrusion. Next, a new semi-industrial system made of polyvinyl alcohol (PVA) and EVOH was developed, focusing on how enhanced interfacial interactions between these chemically compatible polymers influence the final properties of the films. Finally, modifications to the EVOH matrix with sustainable additives capable of interacting with its hydrogen bond network were investigated to further improve the material's performance.