Formalisation des relations structure/propriétés de transfert de matière dans un biocomposite modèle

par Valentin Thoury-Monbrun

Thèse de doctorat en Biomatériaux

Sous la direction de Hélène Angellier.

Le président du jury était Thierry Ruiz.

Le jury était composé de Hélène Angellier, Tatiana Budtova, Stéphane Marais, Véronique Michaud, Sébastien Gaucel.

Les rapporteurs étaient Tatiana Budtova, Stéphane Marais.


  • Résumé

    L’objectif de ce travail de thèse est la formalisation des relations entre la structure et les propriétés de transfert de matière (sorption, diffusion, perméabilité) dans des matériaux biocomposites pour l’emballage alimentaire. Pour cela, la thèse se focalise sur deux questions scientifiques majeures : (i) comment évaluer les propriétés de transfert de vapeur d’eau et de gaz dans des particules végétales de taille micrométrique et (ii) comment formaliser l’influence de l’interphase sur les propriétés de transfert de matière en utilisant des approches expérimentales et de modélisation. Pour cela, a système composite modèle a été utilisé : un biocomposite polypropylène (PP) / particules de cellulose micrométrique produit par extrusion. La première partie de ces travaux est axée sur le développement d’une méthodologie fiable pour caractériser les propriétés de transfert dans des particules de taille micrométrique. Une nouvelle méthode ad hoc couplant microbalance à quartz et cellule d’absorption a été développée et comparée aux méthodes gravimétriques classiques telles que la DVS. La caractérisation fine de la taille / distribution en taille des particules est une étape essentielle pour garantir la fiabilité de l’estimation des paramètres de diffusion. Le deuxième objectif s’appuie sur une caractérisation quantitative fine de la structure 3D des matériaux composites (micro-tomographie X). En finalité, ces travaux de thèse permettent d’aller plus loin dans le développement de modèles prédictifs des relations entre structure et propriétés de transfert de matière, ce qui est l’étape nécessaire pour développer des matériaux biocomposites basés sur une approche d’ingénierie inverse.

  • Titre traduit

    Understanding of structure/mass transfer properties relationships in model biocomposite


  • Résumé

    The objective of this thesis is to formalize the relationships between the structure and mass transfer properties (sorption, diffusion, permeability) in biocomposites for food packaging. It raises two main scientific questions: (i) how to evaluate the mass transfer properties in micrometric size vegetal particles and (ii) how to formalize the impact of the interphase on mass transfer properties by using experimental and modeling approaches. For this purpose, a model system has been considered, i.e. a biocomposite polypropylene (PP)/ micrometric cellulose particles, produced by melt extrusion. The first part of this work focuses on the development of reliable methodologies to characterize mass transfer properties in micrometer size particles. A new method based on the use of a quartz crystal microbalance coupled to an absorption system has been developed and critically compared to classical methods such as DVS. The accurate characterization of the particle morphology distribution is a key point for estimating diffusivity parameters. The second objective is dedicated to the quantitative characterization of the 3D microstructure using X-ray micro-tomography. Structural parameters are used in biphasic and triphasic (consideration of the interphase) models of mass transfer. This thesis brings new knowledge in the modeling of structure / mass transfer properties relations in biocomposites, which is the necessary step for developing biocomposites based on a reverse engineering approach.


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