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Vous êtes ici : Accueil > La technique > Procédés > Rapport d'activité scientifique du LGP2 > Transformation biomatériaux emballages > De la transformation des emballages à l’obtention de nouvelles propriétés fonctionnelles           Révision : 05 juillet 2011
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Chercheurs du LGP2
(Mai 2011)
 
Grenoble INP-Pagora, Ecole internationale du papier, de la communication imprimée et des biomatériaux
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Laboratoire Génie des Procédés Papetiers (LGP2)

V - Transformation Biomatériaux Emballage

V - 4 - De la transformation des emballages à l’obtention de nouvelles propriétés fonctionnelles

La mise en forme 3D d’un emballage nécessite non seulement une maîtrise du procédé mais également des conditions environnantes dans le cas des matériaux papier-carton. Ces deux points clefs sont illustrés par des travaux de thèse sur les performances mécaniques des matériaux. Par ailleurs, de nouveaux procédés ont aussi été étudiés pour mettre en forme des emballages à base de biopolymères et fibres de cellulose. Ces biocomposites plus rigides présentent des avantages environnementaux indéniables mais aussi des propriétés particulières : ils peuvent notamment être utilisés pour fabriquer des emballages actifs. Un moyen de conserver plus longtemps de façon avérée des légumes est décrit dans le cadre du projet SustainPack. D’autres propriétés fonctionnelles importantes comme des études sur le contact alimentaire ou concernant la conservation des documents d’archives ont été réalisées.

Introduction

Notre société actuelle demande toujours plus de fonctionnalités aux matériaux d’emballage. Il est maintenant important que les matériaux “communiquent” mieux, conservent mieux, résistent aux variations des conditions extérieures liées aux longs transports tout en restant inertes pour notre santé,…

Dans ce cadre, il est important de mieux comprendre les propriétés mécaniques des emballages pour pouvoir les optimiser mais aussi de trouver de nouvelles matières premières pour de nouvelles fonctionnalités. Dans cette fiche, des exemples d’études réalisées sont présentés plus en détail que ce soit dans le domaine des procédés de transformation, de l’étude des comportements des matériaux mais aussi des nouvelles propriétés fonctionnelles recherchées.

Transformation des emballages

Résistance mécanique en compression

La recherche entreprise a pour domaine d’application les performances mécaniques des matériaux dans la perspective économique mondiale de la réduction des coûts et des masses consacrées à l’acheminement et à la distribution des produits. La problématique est la permanence des propriétés mécaniques des structures fibreuses. Les enjeux sont doubles : optimiser l’utilisation des ressources renouvelables tout en améliorant les performances des matériaux. L’utilisation optimale des matériaux ligno-cellulosiques nécessite un approfondissement des connaissances sur les relations liant leurs caractéristiques mécaniques à leurs propriétés d’usage.

Dans ce cadre, les travaux de recherche s’orientent vers l’étude des phénomènes de compression et des modes de flambage en fonction de la géométrie des boîtes ainsi que des conditions, monotoniques ou cycliques, de mise en compression. L’influence de la vitesse de déformation, dans la gamme de géométrie testée, s’est avérée limitée. L’ensemble de ces mesures constitue une large base de données mettant en évidence l’influence du rapport de dimensions des panneaux sur la déformation et la résistance à la rupture en compression ainsi que sur les modes de flambement. L’analyse du mode de flambement des panneaux montre que les phénomènes mis en jeu sont complexes et ne peuvent être modélisés de façon simple en s’appuyant sur des hypothèses de prédiction de flambement. Des essais de charge et décharge cycliques ont permis d’estimer la déformation irréversible maximum obtenue durant la compression. À l’échelle microscopique, la déformation irréversible provient de mécanismes d’endommagement qui provoquent dans les panneaux, au niveau des zones rainées, une perte de cohésion du réseau fibreux. Des résultats expérimentaux obtenus sur des boîtes en cannelure G ont été comparés à ceux de cartons compacts de grammages identiques ou plus légers. Des similitudes de résistance à la compression sont observées entre ces deux différents matériaux. Cependant, il est mis en évidence que les phénomènes de flambement diffèrent et sont relatifs à des mécanismes d’endommagement non semblables. Afin d’affiner l’analyse du comportement à la compression des panneaux des boîtes, les champs de déplacement et de déformation, au cours de la compression, ont été évalués par une méthode de stéréo-corrélation d’images. Cette méthode a permis de mettre en évidence des déformations importantes le long des arêtes horizontales et verticales lors du flambement des panneaux. Dans ces zones, la limite d’élasticité est atteinte très tôt au cours de la compression, alors qu’elle ne l’est pas au centre des panneaux même lorsque la contrainte d’effondrement de la boîte est atteinte [Figure 1].

Résistance mécanique en compression (évolution de la contrainte 
   en N/mm2 en fonction de la déformation)
Figure 1 - Résistance mécanique en compression (évolution
de la contrainte en N/mm2 en fonction de la déformation)

Mise en forme 3D de biocomposites

Face à l’emballage carton, l’utilisation des matières plastiques a pris de plus en plus de place dans notre société. Toutefois, le carton doit résoudre des problèmes environnementaux maintenant bien connus que sont la gestion des déchets et la pénurie de pétrole annoncée.

Dans ce contexte, les biopolymères sont de plus en plus utilisés seuls ou sous forme de biocomposites, biopolymères renforcés par des fibres naturelles. Ces mélanges ont un comportement particulier et nous avons essayé de développer un protocole de mise en forme en trois dimensions pour obtenir des barquettes. Les procédés de thermoformage et de thermopressage ont été comparés en partant de films de biocomposites obtenus par mélange à chaud au brabender [Figure 2].

Image MEB d’une coupe d’un biocomposite avec 30% de fibres 
   et une matrice polyester biodégradable
Figure 2 - Image MEB d’une coupe d’un biocomposite
avec 30% de fibres et une matrice polyester biodégradable

Les polymères utilisés étaient un polyester biodégradable (PEM) et du PLA. Le thermoformage s’est avéré impossible à cause d’une valeur de MFI (Melt Flow Index) fortement affaiblie par l’ajout des fibres. Le thermopressage a, lui, permis de fabriquer des barquettes utilisées par la suite comme prototype dans le projet SustainPack. Les températures de pressage et le temps de séchage sont apparus comme les paramètres les plus importants pour l’obtention de ces barquettes. Des tests de compression ont mis en évidence la rigidité apportée par les fibres conférant ainsi une propriété d’empilement importante dans le domaine de l’emballage. Une publication scientifique a été récemment écrite et reprend en détail cette étude en introduisant une étude de recyclabilité réalisée avec un partenaire espagnol.

Ainsi, notre recherche conduit à de nouveaux emballages 3D efficaces et respectueux de l’environnement [Figure 3].

Barquette obtenue par thermopressage de biocomposites
Figure 3 - Barquette obtenue par thermopressage de biocomposites

Nouvelles propriétés fonctionnelles

Emballages pour documents d’archives

Conditionner les documents conservés dans les bibliothèques ou les archives permet d’assurer ou, du moins, d’améliorer leur protection contre les dégradations chimiques et mécaniques qui les menacent. Le conditionnement est le moyen le plus simple, le plus souple, le plus efficace et le moins coûteux pour agir à une vaste échelle pour la préservation des collections. Tous les documents, à l’unité ou en regroupement, des plus prestigieux et des plus anciens jusqu’aux plus humbles et aux plus modernes, peuvent, sans restriction, faire l’objet d’un conditionnement, à partir du moment où celui-ci est bien choisi, soigneusement conçu et réalisé dans des matériaux adéquats.

Le projet de recherche, mené en collaboration avec le Centre de Recherches sur la Conservation des Documents Graphiques (CRCDG) et le Laboratoire des Sciences du Génie Chimique (LSGC), se propose de développer un papier de conservation permettant de protéger les ouvrages anciens des gaz polluants présents dans l'environnement de stockage et des gaz acides issus de la dégradation des documents. Nous nous sommes consacrés à l’élaboration d’un matériau capable de piéger les composés organiques volatils modélisés par l’acide acétique, le dioxyde de soufre et d’azote. Les différents adsorbants étudiés sont : l’oxyde de magnésium MgO, des fibres et grains de charbon actif, le carbonate de calcium CaCO3 et des zéolithes. Les caractéristiques physiques des papiers chargés ont été optimisées par des opérations de raffinage, de pressage et de calandrage. Ce corpus de référence a été complété par quelques papiers commerciaux. Les fibres et les grains de charbon actif se distinguent par des propriétés de sorption d’acide acétique élevées mais sont très coûteux.

La démarche entreprise pour la mesure des capacités de sorption d’acide acétique donne une bonne illustration de la complexité du système étudié. Le papier est un matériau fibreux, poreux, et hydrophile. Il contient naturellement de l’eau liée qui assure par des liaisons hydrogène une certaine cohésion du matelas fibreux. Les mesures que nous avons effectuées montrent que les capacités de sorption des papiers sont très dépendantes des conditions environnementales : en ambiance sèche, elles dépendent principalement des charges incorporées, alors qu’en ambiance humide elles sont similaires pour tous les papiers fabriqués. Comme l’acide acétique présente une forte affinité avec l’eau, il est probable que l’humidification des fibres joue un rôle prépondérant dans les mécanismes d’absorption d’acide acétique. Ainsi, dans des conditions d’archives, où l’humidité est proche de 50%, les charges du papier ne joueraient qu’un rôle mineur dans les capacités d’absorption à l’acide acétique [Figure 4].

A gas mixture of nitrogen and acetic acid (concentration C entrée = 
   5,2.10-4 mol/L) crosses a column filled with tested paper fragments
Figure 4 - A gas mixture of nitrogen and acetic acid (concentration C entrée = 5,2.10-4 mol/L)
crosses a column filled with tested paper fragments. Flow at the outlet is bubbled through water
and acetic acid concentration Cs in this aqueous solution is determined by pH measurement.
(PS without any fillers, PCA Activated carbon, PZ Zeolite 13X, PCaCO3, PMgO)

Emballages actifs et intelligents

Notre société actuelle demande toujours plus d’intelligence aux matériaux. Souvent confondus, papiers et emballages intelligents restent totalement différents. Si aucune norme n’existe pour le premier, le deuxième a fait l’objet de différentes réglementations au niveau européen depuis 2004. Il apparaît donc important d’apporter quelques précisions. En effet, le domaine de l’emballage intelligent est déjà normé grâce aux travaux d’un projet européen connu sous le nom d’Actipack (Fair project CT98-4170). Ce dernier a abouti à une nouvelle réglementation sur le contact alimentaire en 2004 (1935/2004/EC) qui inclut et définit les emballages actifs et intelligents.

Nous pouvons donc définir que :

Dans le cadre d’une collaboration avec l’université d’Aveiro (projet SustainPack), nous avons analysé l’impact d’un traitement de surface sur des fibres utilisées dans la fabrication de biocomposites comme décrit précédemment. Ces tests ont été réalisés sur des emballages de tomates et une amélioration conséquente de la durée de vie a été observée [Figure 5]. Le même type de pré-étude a été réalisé sur des papiers couchés avec de l’acide ascorbique et les premiers résultats semblent prometteurs.

Impact de l’utilisation de fibres fonctionnelles dans un biocomposite sur
Figure 5 - Impact de l’utilisation de fibres fonctionnelles dans un biocomposite sur
la durée de vie de tomates emballées dans un sac plastique après 12 jours à 25°C

Alimentarité

Une étude a été menée sur le transfert d’aluminium dans les aliments, lors de leur stockage ou de leur cuisson, dans des matériaux à base d’aluminium afin d’évaluer la dose libérée et de la comparer à la dose maximum admissible pour préserver la santé des populations. Nous avons confirmé la libération d’aluminium mis en contact avec des molécules chélatrices, présentes dans les aliments et testées en milieu simple et nous avons montré que cette solubilisation pouvait être très importante. Elle est fonction de la nature de la molécule chélatrice, de sa concentration, de sa forme chimique et surtout de la température. Les formes salifiées étudiées (sels de K+, Na+ et Li+ de l’acide citrique, de l’acide oxalique et de l’acide lactique) nous ont permis de comprendre comment la modification d’une molécule pouvait changer la libération de l’aluminium soit par modification du pH, soit par modification de la réactivité.

Nous avons également évalué l’impact de la matrice alimentaire sur la quantité d’aluminium relarguée à partir de matériaux utilisés pour la conservation ou la cuisson. Différents aliments ont été sélectionnés en fonction de leur composition en molécules chélatrices de l’aluminium. Le relargage de l’aluminium est fonction de l’aliment, de la localisation du prélèvement de l’échantillon, de la température, du temps et du type de conteneur. En confrontant nos résultats aux différentes données de la littérature et en les intégrant dans le contexte des apports quotidiens et des limites de sécurité, nous avons essayé de modéliser l’implication de l’aluminium, en fonction des quantités relarguées, dans notre nutrition.

Conclusions

Les emballages sont omniprésents dans notre société. Ils suscitent l’intérêt de nombreux chercheurs pour comprendre l’influence de l’environnement, les problématiques des nouvelles matières premières, et pour mettre au point de nouvelles fonctionnalités attendues. Les quelques exemples de cet article montrent bien les challenges qui restent à relever. Ils apportent aussi des réponses, notamment au niveau des résistances mécaniques des emballages et de l’utilisation des biocomposites. Les nouvelles fonctionnalités apportées apparaissent aussi très prometteuses dans le domaine de l’amélioration de la durée de vie des aliments.

 
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Mise en page : A. Pandolfi