Contribution of understanding the partition behavior of volatiles in glassy polymer films dedicated to packaging

par Ashish A. Kadam

Thèse de doctorat en Sciences de l'alimentation

Sous la direction de Frédéric Debeaufort et de Thomas Karbowiak.

Soutenue le 25-06-2014

à Dijon , dans le cadre de École doctorale Environnements, Santé (Dijon) , en partenariat avec Procédés Alimentaires et Microbiologiques (Dijon) (laboratoire) .

Le président du jury était Andrée Voilley.

Le jury était composé de Dominique Champion, Stéphane Desobry, Sandra Martha Domenek, Claire-Hélène Brachais, Catherine Joly.

Les rapporteurs étaient Elmira Arab Tehrany, Pascale Chalier.

  • Titre traduit

    Etude des coefficients de partage de composés volatils dans les polymères vitreux destinés à l'emballage alimentaire


  • Résumé

    Le but de cette étude était de déterminer si le partage de petites molécules dans un système d'emballage/aliment change lorsque le polymère passe d’un état vitreux à caoutchoutique. La sorption par un polystyrène amorphe vitreux est un processus très lent. L’hystérésis observée entre les cycles de sorption et de désorption du n-hexane peut être due principalement à la variation de la vitesse à laquelle le système évolue au voisinage de la Tg et à une augmentation du volume libre dans le polymère. La sorption de vapeur de n-hexane ne modifie pas l’état physique du système, alors que celle du toluène induit un passage de l’état vitreux à caoutchoutique. Toutefois, le comportement du coefficient de partage du système toluène/PS reste inchangé lors de la transition vitreuse du système. L'effet de plastification provoquée par la sorption des composés volatils a été étudié. La sorption de certains composés volatils induit un abaissement significatif de la température de transition vitreuse du polystyrène. L'effet plastifiant du n-hexane lors de sa sorption par le PS était plus forte que celle des autres composés étudiés. Les valeurs de coefficients de partage du p-xylène et de l'éthylbenzène entre un film de polystyrène et l'éthylène glycol sont plus faibles que celles du n-hexane et du toluène à 25 °C. Finalement, malgré les modifications structurales induites par la sorption, l’énergie d’activation du coefficient de partage n’est pas significativement modifiée lors de la transition vitreuse.


  • Résumé

    The aim of this work was to find out whether the partitioning behavior of small molecules in a polymer food packaging system changes as the system traverses through its glass transition. Sorption in glassy amorphous polystyrene is a very slow process. The large hysteresis between sorption-desorption cycles of n-hexane/PS was hypothesized to be mainly due to varying rate at which the glass transition temperature was reduced and increase in system’s volume. The equilibrium sorption in glassy amorphous polystyrene at 25 °C, of n-hexane vapor did not modify the state of the system, whereas that of toluene vapor modified the system’s state significantly. The partitioning behavior of toluene/PS remained unchanged across the glass transition of the system. The plasticization effect caused by sorption was studied and revealed that it modifies the glass transition of a volatile/PS mixtures quite significantly. Such information is useful in knowing state modifications of the system as long as sorption/migration occurs, and thus assisting interpretation. The plasticizing effect of n-hexane in amorphous PS was stronger than that of three other volatiles studied. The estimated partition coefficient values of p-xylene and ethylbenzene between polystyrene film and ethylene glycol were several times lower than the experimental values of n-hexane and toluene at 25 °C. Finally, glass transition or change from glassy to rubbery states and vice-versa does not significantly modify the activation energy of sorption.

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