Development of Safe-by-Design Nano-composites for Food Packaging Application

par Aida Nasiri

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Nathalie Gontard.

  • Titre traduit

    Conception raisonnée de nanomatériaux sûrs pour l'homme et l'environnement


  • Résumé

    Ce projet contribue à développer la prochaine génération de nano-emballages en utilisant une approche plus sûre et éco-conçue avec des avantages directs à la fois pour l'environnement et la sécurité des consommateurs. Les emballages alimentaires constituent l’un des principaux secteurs d’applications des nanotechnologies avec des enjeux environnementaux prometteurs de substitution des pétro-plastiques par des bio-plastiques et de réduction des pertes et gaspillages alimentaires grâce à des emballages plus performants, de type actifs et intelligents. Dans le cas de matériaux nano-composites (matrice polymérique contenant des nano-particules) destinés au contact alimentaire, le risque majeur en terme de santé humaine est lié à leur impact sur la migration de composés indésirables de l’emballage vers l’aliment (stabilisants UV, antioxydants, plastifiants, etc) qui peuvent avoir des effets néfastes en fonction des doses et durées d’exposition. Ces interactions contenant/contenu sont soumises à une réglementation européenne dont l’objectif est la protection de la santé du consommateur en fixant des limites de migration spécifique pour tous les composés supposés entrer dans la composition des matériaux plastiques dédiés au contact alimentaire. Dans le cas des nanomatériaux, la présence de nanoparticules est susceptible de modifier les interactions entre le polymère et les additifs et par voie de conséquence leurs propriétés de transfert. Ainsi, la formalisation des phénomènes de migration de l’emballage vers l’aliment établie sur des matériaux plastiques ne contenant pas de nanoparticules ne peut pas être directement transposée au nano-matériaux. De plus la présence de ces nanoparticules peut profondément modifier l’éco-toxicité environnementale du système matrice- nanoparticule -additif.La présente étude vise à comprendre et contrôler l’impact des structures nanocomposites (matrice polymérique contenant des nano-particules) sur les propriétés de transport (diffusivité et solubilité) des nanoparticules et des additifs chimiques en condition d’usage. À cet égard, il est nécessaire de combler le déficit de connaissances dans a caractérisation de la structure 3D, des propriétés physico-chimique et des interactions aux interfaces entre nanoparticules et matrice dans les nanomatériaux. Devant la complexité du système étudié, la modélisation est indispensable pour représenter (simplifier sans pour autant perdre trop de connaissances) la structure 3D des nanomatériaux et simuler, reproduire puis prédire, l’évolution de leurs propriétés de transfert en fonction des paramètres structurels et en condition d’usage. La modélisation des transferts est également indispensable pour, dans une approche d’ingénierie inverse, éco-concevoir et dimensionner à façon des nano-emballages sûrs pour l’Homme et l’Environnement. Dans cette optique une démarche de modélisation multi-échelle des relations structure/propriétés de transfert de masse a été mise en place sur des matériaux nanocomposites ciblés choisis pour leur pertinence dans le domaine de l’emballage alimentaire.


  • Résumé

    The market of nanotechnologies is dominated by the food packaging area which amounts more than 20% of the total nanotechnologies market in 2015. However, the wide-scale use of nanomaterials raises important questions about environmental and safety issues that could hinder their development. In the case of plastics intended to be in contact with food, the risk of contamination concerns not only the nanoparticles but also all the chemical additives added during the material processing. The presence of nanoparticles is susceptible to modify the interactions between polymer and the additives with a possible change in their transport properties and therefore the food contamination.The present work aims at identifying the relationship between the structural characteristic and the transport properties (diffusivity and solubility) of nanoparticles and chemical additives incorporated in nanocomposites. In this regard, it is necessary to fill the gap of knowledge in 3D nanostructure characterization and a multi-scale modeling of mass transfer properties of nanocomposites in real usage conditions.In this way, polyethylene and nanoclay were selected based on the best compromise between real potential applications and the scientific knowledge previously published and eventually the nanocomposites were synthesized with LLDPE, Cloisite20 and a compatibilizer by melt intercalation method.The nanocomposite structure was characterized using TEM, X-ray nanotomography, TGA and XRD then submitted to migration tests undertaken in contact with different food simulants which represent various types of food (aqueous, acid, alcoholic) following the recommendation of the European regulation on the food contact material. To evaluate the positive or adverse effects of the nanomaterials on the contamination of the food by chemical additives which are usually incorporated with the plastic packaging, the virgin polymer and nanocomposite material were spiked with a mixture of the additives exhibiting various volatility, polarity and molecular weight. Then, the transport properties (i.e inertia) of nanocomposite structure was distinctively investigated on kinetic (apparent diffusion coefficient) and thermodynamic (partition coefficient) considerations.The results indicated that nanoclay addition in plastic materials favorably reduced the migration of additives by modifying both their diffusivity in the polymer and their partition between the polymer and the food simulant. However, while the partition coefficient of additives increases in nanocomposite in comparison to pure LLDPE for the samples in contact with all types of food simulants, the reduction of diffusion coefficient is significantly dependent on the nature of the food simulant in contact. Hence, it can be concluded that the major role in the migration of additives is not played by the imposed tortuosity path, but by the factors such as the affinity between the base polymer and simulants as well as the effects of simulants on swelling and crystallinity of the samples. Moreover, the effect of additive-related parameters and the structural parameters were assessed and put in perspective with their impact on the transport properties of nanostructures. Integrating the results of characterization and transfer properties led to an improved understanding of the influence of structure of nanocomposites on their mass transfer properties and therefore on the suitability of using them as food contact materials.

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