Développement de nouveaux matériaux barrières utilisant des microfibrilles de cellulose

Development of new barrier materials using microfibrillated cellulose

• Auteur / Autrice : Sébastien Raynaud
• Direction : Alain Dufresne, David Guérin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 14/02/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés pour la bioraffinerie, les matériaux bio-sourcés et l’impression fonctionnelle (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : José Maria Lagaron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Heux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hélène Angellier, Yves Grohens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aliments -- Emballage

Matériaux -- Recherche

Nanocellulose

Mots clés libres

Nanocellulose

Barrière

Composites

Microfibrilles de cellulose

Enduction

Nanocellulose

Barrier

Composites

Microfibrillated cellulose

Coating

Résumé

Ce travail se situe dans un contexte de développement de matériaux barrières pour l'emballage alimentaire papier-carton utilisant des microfibrilles de cellulose (MFC), ce qui donne une dimension renouvelable, recyclable, et biodégradable. Pour cela, deux stratégies ont été étudiées : l'utilisation des MFC pour la formation d'une couche barrière laminée à l'état humide sur carton, et en tant qu'additif dans une sauce de couchage barrière base aqueuse. Il a été montré que l'utilisation des MFC pour la production de couches barrières est prometteuse dans les deux cas. La lamination de MFC sur carton a permis d'obtenir de bonnes propriétés barrières à l'oxygène et à la graisse en utilisant des MFC hautement fibrillées. L'association carton-MFC a présenté une forte adhésion après séchage, permettant d'éviter l'utilisation de colle. Dans le cas du couchage composite, en vue de diminuer la viscosité et améliorer la barrière, il a été trouvé préférable d'utiliser un faible taux de MFC dans un alcool polyvinylique (PVOH) complètement hydrolysé ayant un faible degré de polymérisation. L'ajout de MFC dans une sauce de couchage composite a montré leur capacité à améliorer la cinétique de séchage du PVOH. L’utilisation combinée de MFC et de charges lamellaires a présenté un effet de synergie sur leurs états de dispersions dans une solution de PVOH, permettant leur utilisation pour l'amélioration de la barrière à la vapeur d'eau en conditions humides, tout en évitant la formation d'agrégats qui détérioreraient la barrière à l'oxygène. Ce travail a contribué à démontrer le potentiel des MFC pour la formation de couches barrières, ouvrant la voie au développement de nouveaux matériaux d'emballages plus responsables.

This study takes place in a context of development of paper-based barrier packaging materials, using of microfibrillated cellulose (MFC) that brings renewability, recyclability, and biodegradability. Two strategies have been investigated: the wet lamination of a MFC barrier layer on board, and the use of MFC as additive in a water-based barrier coating colour. The promising use of MFC for the formation of barrier layers has been demonstrated in both cases. The wet lamination of MFC on board led to good oxygen and grease barrier properties, using highly fibrillated MFC. The board-MFC complex presented a strong adhesion after drying, without requiring glue. In the case of barrier coating, in order to obtain a low viscosity suspensions leading to high barrier layers, the use of highly fibrillated MFC mixed with a fully-hydrolysed poly(vinyl alcohol (PVOH) of low degree of polymerisation has been preferred. The addition of MFC in PVOH demonstrated its potential for improving the drying behaviour of water-barrier barrier coating colours. The combined use of MFC and layered silicates evidenced a synergistic effect on their dispersion in a PVOH solution, leading to an improved water vapour barrier while avoiding the formation of aggregates that otherwise damage the oxygen barrier. The work contributed to demonstrate the potential of MFC to be used for the formation of barrier layers, paving the way for the development of more sustainable barrier packaging materials.