Surface modifications of cellulose nanocrystals for biobased food packaging applications

par Manon Le Gars

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Julien Bras, Philippe Roger et de Naceur Belgacem.

Le président du jury était Evelyne Mauret.

Le jury était composé de Hélène Angellier.

Les rapporteurs étaient Bénédicte Lepoittevin, José Maria Lagaron.

  • Titre traduit

    Modifications de surface de nanocristaux de cellulose pour des applications d'emballage alimentaires biosourcés


  • Résumé

    Ce projet vise à développer de nouvelles modifications chimiques de surface des nanocristaux de cellulose (NCC), afin d'améliorer leur compatibilité avec le polymère biosourcé qu'est l'acide polylactique (PLA), afin de combiner leurs propriétés intrinsèques respectives. Ainsi, des matériaux multiphasiques ont été produits à partir de PLA en y incluant des nanomatériaux cellulosiques. L'application visée est celle de l'emballage alimentaire, et l'amélioration des propriétés barrières du PLA, notamment vis-à-vis de l'oxygène et de la vapeur d'eau, est alors un point clé dans la caractérisation des produits finis. Plus précisément, dans ce projet, différentes voies sont proposées pour le greffage de divers composés - polymères ou molécules - à la surface des nanocristaux de cellulose. Le succès de ces greffages a été confirmé et quantifié via diverses techniques de caractérisation. Les NCC ainsi modifiés sont ensuite introduits dans un matériau PLA à travers deux stratégies différentes : soit en tant que nanocharges dans une matrice PLA, avec des taux d'inclusion compris entre 2 et 10% massique, soit en tant que couches internes dans des matériaux multicouches de PLA. Dans les deux cas, les matériaux finaux, préparés à partir de PLA et de nanomatériaux cellulosiques modifiés, présentent des propriétés intéressantes et encourageantes en termes d'homogénéité, de transparence, et de barrière à l'oxygène et à la vapeur d'eau, conformément aux propriétés requises pour les matériaux de conditionnement alimentaire.


  • Résumé

    The purpose of this project is to develop new surface chemical modifications of cellulose nanocrystals (CNCs), in order to enhance their compatibility with biobased poly(lactic acid) (PLA) polymer, and to combine their respective outstanding intrinsic properties. Biobased PLA-based multi-phase materials, including the designed nanostructures, are produced. Furthermore, the final materials are expected to be used in food packaging sector, and the improvement of the barrier properties of the PLA, especially towards oxygen and water vapour, is a key point in the characterization of the materials. In this project, different routes are proposed for the grafting of various compounds - polymers or singles molecules - on the surface of the CNCs. Their grafting efficiency has been confirmed and carefully characterized. The modified CNCs are then introduced in PLA-based materials via two different strategies. Indeed, they are either used as nanofillers in a PLA matrix with inclusion rates comprised between 2 and 10 wt%, or as an inner layer of PLA-based multi-layered materials. In both cases, final PLA-based materials including various designed cellulosic nanomaterials exhibit enhanced and highly encouraging properties in terms of homogeneity, transparency, and barrier towards oxygen and water vapour, in accordance with required properties for food packaging materials.


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