Conception d’un emballage à base de PLA et nanocellulose - compréhension des mécanismes liés aux transports des gaz

Design of PLA and nanocellulose-based packaging - Understanding of mechanisms related to the transport of gases

• Auteur / Autrice : Hajar Faraj
• Direction : Sandra Domenek, Cyrille Sollogoub
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 11/03/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Paris-Saclay Food and Bioproduct Engineering (Massy, Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Allison Saiter-Fourcin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyrille Sollogoub, Tatiana Budtova, Debora Puglia, Thomas Karbowiak, Caroline Aymes-Chodur, Giana Almeida
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tatiana Budtova, Debora Puglia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Emballage

Nanocellulose

Acide polylactique

Mots clés libres

Pla

Nanocellulose

Nanocomposite

Modification de surface

Interface

Emballage

Pla

Cellulose nanocrystals

Nanocomposite

Interface

Packaging

Surface modification

Résumé

L’acide polylactide (PLA) est un polymère bio-sourcé et biodégradable, utilisé abondamment dans les emballages alimentaires, pour sa transparence, sa facilité de mise en œuvre et ses propriétés mécaniques comparables aux polymères classiques. Néanmoins, ce bio-polyester, possède des propriétés barrière aux gaz (notamment O2 et CO2) limitées. Ceci restreint son évolution vers de nouvelles applications d’emballage destinées à des produits alimentaires sensibles à l’oxydation. L’ajout de charges nanométriques est une stratégie qui s’avère efficace afin de remédier à ce manque de propriétés. Les nanocristaux de cellulose (CNC) sont particulièrement intéressants pour leur haut taux de cristallinité et rigidté, ainsi que leurs propriétés hautement barrière à l’oxygène. Lorsque les CNCs sont incorporés dans la matrice PLA, ils peuvent agir comme des obstacles physiques pour complexifier le chemin de diffusion des molécules traversant le film, ralentissant ainsi leur transport par effet de tortuosité.En revanche, il est difficile de disperser les CNCs hydrophiles dans le PLA hydrophobe, car leur incompatibilité chimique les empêche de se mélanger de façon homogène, ce qui résulte en des interfaces altérées et des propriétés dégradées. Afin de mieux disperser les CNCs, de nombreuses stratégies de compatibilisation ont déjà été explorées et rapportées. Dans cette thèse, nous utilisons et comparons l'efficacité de deux méthodes innovantes, récemment publiées : estérification (acide laurique) et grafting-from (poly (méthacrylate de glycidyle).L’efficacité de ces modifications de surface a été confirmée via diverses méthodes caractérisation: thermomécaniques (DMA), morphologiques (DLS, MEB, TEM), microstructurales (MT-DSC, RX), gravimétriques (TGA, DVS), et de perméation à l’eau, oxygène et dioxyde de carbone.Les résultats obtenus pour les différents nanocomposites PLA/CNC ont révélé l’importance de la modification de surface dans l’amélioration des propriétés physico-chimiques et mécaniques : le greffage améliore le module élastique par rapport au PLA, notamment sur le plateau caoutchoutique. Le greffage chimique s’avère également important pour la protection de la charge hydrophile de l’eau. Enfin, nous montrons aussi que l’ajout des charges influence les propriétés de transport du PLA, au-delà de la tortuosité.

Polylactide acid (PLA) is a bio-sourced and biodegradable polymer, widely used in food packaging, for its transparency, ease of processing, and mechanical properties comparable to conventional polymers. However, this bio-polyester has limited gas barrier properties (in particular O2 and CO2). This restricts its evolution towards new packaging applications for food products sensitive to oxidation. Adding nanoscale fillers is a successful strategy to overcome this lack of properties. Cellulose nanocrystals (CNC) are particularly interesting for their high rate of crystallinity and stiffness, as well as their high oxygen barrier properties. When the CNCs are incorporated into the PLA matrix, they can act as physical obstacles to complicate the diffusion path of the molecules crossing the film, thus slowing their transport by tortuosity.On the other hand, it is difficult to disperse the hydrophilic CNCs in the hydrophobic PLA, because their chemical incompatibility prevents them from mixing homogeneously, which results in altered interfaces and degraded properties. To better disperse the CNCs, many compatibilization strategies have already been explored and reported. In this thesis, we use and compare the effectiveness of two innovative, recently published methods: esterification (lauric acid) and grafting-from (poly (glycidyl methacrylate).The effectiveness of these surface modifications was confirmed via various characterization methods: thermomechanical (DMA), morphological (DLS, MEB, TEM), microstructural (MT-DSC, RX), gravimetric (TGA, DVS), and permeation to water, oxygen, and carbon dioxide.The results obtained for the various PLA / CNC nanocomposites revealed the importance of the surface modification in improving the physicochemical and mechanical properties: grafting improves the elastic modulus compared to PLA, especially on the rubber plateau. Chemical grafting is also important for protecting the hydrophilic charge of water. Finally, we also show that the addition of charges influences the transport properties of PLA, beyond tortuosity.