Additivation du PLA par des polymères biosourcés pour des applications comme emballage alimentaire

par Jamie Rubinstein

Projet de thèse en Polymères

Sous la direction de Henri Cramail et de Véronique Coma.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde) , en partenariat avec Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (laboratoire) et de EQ2 - Biopolymères et Bio-Sourcés Polymères (equipe de recherche) depuis le 07-05-2019 .


  • Résumé

    Le développement durable est au cœur des préoccupations du XXIème siècle. Il doit concilier ce qui est rendu possible par la science et la technologie, avec ce qui est économiquement viable et acceptable par le citoyen. Il s'agit d'un nouvel objectif stratégique pour nos sociétés développées comme pour celles en voie de développement. L'utilisation des ressources renouvelables, s'inscrivant aussi dans cette démarche de développement durable, apparait comme une alternative, voire une priorité afin de répondre au mieux aux problématiques de durabilité. Le développement de nouveaux matériaux bio-sourcés constitue donc un enjeu majeur. Dans ce contexte, la capacité mondiale de production de bioplastiques a atteint 1,7 millions de tonnes en 2014 et les projections pour les années à venir prévoient une augmentation pouvant atteindre 7,8 millions de tonnes en 2019. Le poly(acide lactique) ou polylactide (PLA) fait partie des bioplastiques d'intérêt. En effet, il est issu de ressources renouvelables telles que, par exemple, la betterave sucrière, la canne à sucre, le blé, le maïs. Il présente également l'énorme avantage d'être biocompatible et biocompostable. En 2014, la capacité de production en PLA a atteint 12,2% du marché des bioplastiques soit un peu plus de 200 000 tonnes. Les projections prévoient une augmentation en termes de production avec près de 440 000 tonnes en 2019 mais avec toutefois une diminution relative de sa part de marché (5.6%). Le principal producteur principal est NatureWorks aux USA avec une production de140 000 t/an. Outre ces propriétés avantageuses en termes d'origine, de compostabilité et biodégradabilité, le PLA présente un certain nombre d'inconvénients qui freinent son développement. Il présente en effet une perte trop importante de ses propriétés mécaniques autour de sa température de transition vitreuse (Tg), reste fragile aux chocs en raison de son fort caractère cristallin et enfin a une cinétique de cristallisation trop lente empêchant l'utilisation de certaines techniques de mise en forme. Le PLA est utilisé depuis de nombreuses années dans le domaine médical (fils de suture, broches orthopédiques ou galénique) en raison de son caractère biocompatible. Du fait des développements technologiques et des optimisations en termes de procédé, le PLA est aujourd'hui disponible pour des marchés de grande diffusion comme l'emballage, les objets mono-usages, les fibres, etc. Le domaine d'application que nous nous proposons de cibler dans ce projet est celui de l'emballage, domaine qui emploie le plus gros volume de matières plastiques (40% du volume). Au regard des contraintes de faibles coûts inhérentes à ce secteur, il est impératif de proposer de nouveaux emballages apportant des performances techniques accrues (date limite de consommation plus longue par exemple) ou plus respectueuses de l'environnement (utilisation de ressources non fossiles, alternative supplémentaire pour la fin de vie de l'emballage). Pour le secteur de l'emballage, les propriétés thermo-mécaniques du PLA se doivent encore d'être améliorées et plus particulièrement : - Moduler ses propriétés de perméabilité aux gaz (O2, CO2, H2O) pour une meilleure conservation des denrées alimentaires nécessitant soit une barrière O2 légèrement supérieure à celle d'un PLA standard (applications charcuterie ne nécessitant pas l'apport d'atmosphère modifiée), soit au contraire un contrôle de la respiration nécessitant des niveaux de perméabilité CO2 légèrement supérieurs à ceux apportés par le PLA standard (fromages, salades 4ème gamme) - Améliorer sa résistance aux chocs à basse température - Augmenter sa tenue à la température au-dessus de la Tg (60°C) (utilisation par exemple de l'emballage pour des plats préparés micro-ondables). La résistance aux chocs du PLA a d'ores et déjà été étudiée par les partenaires LCPO et ITERG dans le cadre d'un projet financé par l'ADEME et a abouti au dépôt de deux brevets. Le projet vise à améliorer les deux autres propriétés visées que sont la barrière au gaz et la tenue à la température de ce polymère d'avenir.

  • Titre traduit

    Synthesis of bio-based polymer additives for PLA in order to make it suitable for food packaging


  • Résumé

    Sustainable development is a key challenge of the 21st century since it must concile what has been made achievable through science and technology and what is economically viable and acceptable by common people. It involves both Western societes as much as developing countries. The use of renewable resources appears as an alternative, say a priority in order to better tackle sustainability challenges. The development of novel bio-based materials therefore represents a key issue. The world plastic production reached 1.7 million tons in 2014 and is expected to reach 7.8 million tons by 2019. The poly(lactic acid) or also polylactide (PLA) is a very interesting bioplastic. Indeed, it is mainly produced from reneable resources such as beetroot, sugar cane, wheat or corn. Its main asset is also to be both biocompatible and a compostable waste. In 2014, the production capacity of PLA accounted for 12.2% of bioplastics, representing just above 200,000 tons a year. Predictions were made for 2019 and it was expected that PLA's production capacity could increase to 440,000 tons a year but only representing 5.6% of the market. The PLA producer is NatureWorks, USA which produces 140,000t/year. As well as the many assets cited above, the PLA has also many drawbacks which are slowing down its development. Its mechanical properties become too low around its galss transition temperature (Tg), it remains very brittle since it is a highly crystalinne polymer and also its crystallization kinetics are too slow which prevents the use of certain shape forming techniques. The PLA has been used for many years in the medical industry (stitching thread for instance) since it is biocompatible. Thanks to new developments and processing optimizations, it is now also available for large market applications such as packagings, single-use objects, fibres etc. In this project we will be focussing on packaging applications of plastics, which accounts for 40% of the use of plastic. Regarding the need for very low manufacturing costs in this industry, the emphasis should be made on developing novel food packaging which offer improved performances (able to keep the food edible for a longer period of time) or are more environmentally friendly (use of non-fossil resources, new alternatives for the packaging's end of life). In order to be used in the packaging industry, the thermo-mechanical properties of the PLA still need to be improved especially regarding: - The gas barrier properties (O2, CO2, H2O) which, for a better conservation of food, either need to be improved in the case of O2 (cold cuts which do not need a modified atmosphere) or on the contrary allow CO2 to migrate (cheese, salad) - The impact properties at low temperature which should be improved - The mechanical behaviour at temperatures above the Tg (60°C) (development of microwaveable packaging) The impact resistance of PLA has already been investigated in a previous study by LCPO & ITERG funded by ADEME which led to the filling of two patents. This project therefore will focus on enhancing the gas barrier properties and improving the mechanical behaviour above the Tg.