Élaboration des plaques en mousses de calage issues d’agroressources par extrusion réactive. Optimisation des relations Process-structures-propriétés

Elaboration of foam cushions from agroresources by reactive extrusion. Optimization of the Process-structures-properties

• Auteur / Autrice : Georges Abinader
• Direction : Damien Erre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences - STS
• Date : Soutenance le 04/12/2014
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de Recherche en Sciences Pour l’Ingénieur (GRESPI) EA 4694 (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Denis Lourdin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Erre, Catherine Lacoste, Alain Copinet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-France Lacrampe, Alain Celzard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mousses (matériaux)

Matériaux d'emballage

Mots clés libres

Mousse

Calage

Emballage

Extrusion réactive

Amidon

Pla

Foam

Cushioning

Packaging

Reactive extrusion

Starch

Pla

Résumé

Les mousses de calage en plastique utilisées dans les emballages sont très volumineuses et beaucoup de travaux s'intéressent à limiter leur production et à les remplacer par des matériaux qui soient biosourcés et/ou compostables mais avec des propriétés mécaniques comparables aux mousses en plastique pétrochimique. Ainsi vient l'idée de ce projet de recherche qui consiste à développer des mousses de calage à base d'amidon par extrusion réactive, en étudiant les relations : formulation – process – structure – propriétés. L'un des objectifs de ce travail de recherche est de comprendre et d'optimiser le procédé de fabrication des plaques de mousses de calage à base d'amidon afin d'assurer la stabilité et la reproductibilité du procédé. Dans le cadre de cette étude, nous avons déterminé la combinaison idéale « procédé/matière » en étudiant l'effet des différents ingrédients de la formulation sur les propriétés mécaniques et structurales des mousses résultantes. Les mousses ayant obtenu les meilleures propriétés de calage ont été caractérisées et leurs performances mécaniques, en termes d'absorption, d'amortissement et de transmission du choc lors du transport, ont été comparées à celles des mousses de calage traditionnelles d'origine pétrochimique. Nous avons également étudié le vieillissement, la biodégradabilité et la stabilité des propriétés des mousses à différentes conditions climatiques. Ces études nous ont permis de déterminer la stabilité des mousses dans le temps et leur comportement selon que l'on soit dans une région tempérée, tropicale ou autres. Dans le but d'améliorer les propriétés et les performances mécaniques des mousses et de réduire leur sensibilité à l'humidité, nous avons rajouté des fibres naturelles, des biopolymères et des charges minérales à la formulation de base et étudié leurs effets sur les propriétés des mousses résultantes. Le développement des mousses à base d'amidon par extrusion réactive a alors été optimisé. Les mousses extrudées ont obtenu des propriétés physiques et un pouvoir amortissant comparables aux mousses en plastique traditionnelles, type polyéthylène expansé, leur permettant d'être utilisées dans diverses applications dont principalement les calages qui, à l'issu de ces travaux de recherche, va être développé à l'échelle industrielle.

Foam cushions used in packaging are very light and bulky and a lot of efforts have been made to limit their production and to replace them with materials that are from renewable resources but with comparable mechanical properties to the current petroleum plastic foams. Consequently, the aim of this project, which consists of developing starch-based foam cushions by reactive extrusion, is to study the relationship between formulation, process, structure and properties. One of the research goals was to understand and optimize the manufacturing process of starch-based foam sheets to ensure the stability and the repeatability of the process. In this study, we determined the perfect « process / material » combination by studying the effects of the various ingredients of the formulation on the mechanical and structural properties of the resulting foams. The foams with the best cushioning properties were characterized and their mechanical performances in terms of absorption, cushioning and shock transmission during transport were compared to those of petrochemical foam cushions. We also studied the aging, biodegradability and stability of the foam properties at different climatic conditions. These studies allowed us to determine the long-term stability of the material and their behavior depending on their storage conditions. In order to improve the mechanical properties of the foams and to reduce their moisture sensitivity, we added natural fibers, mineral fillers and biopolymers to the formulation and studied their effects on the resulting properties. Thus, the development of starch-based foams by reactive extrusion has been optimized. The extruded foams have comparable physical properties with the conventional plastic foams, like expanded polyethylene, allowing them to be used in various applications, especially as cushioning materials, which is now ready to be developed at industrial scale.