Projet « NANOCOAT » : Enduits nanochargés à haute propriétés barrière aux gaz : une alternative pour le recyclage des films d’emballage multicouche

Les aliments requièrent de plus en plus d’emballages à hautes propriétés barrière aux gaz pour leur assurer des durées de conservation longues et ainsi limiter le gaspillage alimentaire par la mise en déchets de nombreux aliments. La technologie la plus employée pour obtenir ces propriétés barrière à coûts modérés est d’associer des matériaux haute barrière performants mais coûteux avec des polymères de grande commodité type polyoléfine, styrénique ou polyester. Ces technologies multicouches engendrent des problèmes de recyclage non négligeables qui vont être exacerbés avec les nouvelles règlementations sur le recyclage des emballages ménagers. Une solution consiste alors à travailler en matériau monocouche ou quasi-monocouche. Dans cette optique, il existe aujourd’hui la solution des enduits PVDC où le PVDC, polymère très barrière qui peut être déposé en épaisseur quasi négligeable (2 à 3 µm) sur un film de polyester par exemple. Malheureusement, de par sa structure chimique, le PVDC n’est pas un candidat acceptable aujourd’hui étant non compatible avec les unités de recyclage matière ou.

L’objectif est de travailler sur l’introduction de nanocharges lamellaires sur des matrices hydrophiles mais également hydrophobes, d’évaluer l’état de dispersion de ces nanocharges dans les différentes étapes de la préparation des films, d’évaluer les propriétés barrières obtenues en réalisant des essais interlaboratoires compte tenu des faibles valeurs mesurées et de caractériser l’effet des propriétés mécaniques (fissuration, adhérence) du film enduit.

Le projet a permis de produire des films de PET de 12 micromètres d’épaisseur enduit de 3 matrices PVOH, PKHW et gélatine chargées de vermiculite à des taux de 0% à 80% et de caractériser leurs perméabilités à l’hélium et à l’oxygène en relation avec leur structure. Moyennant un outil d’enduction basique et donc une faible maîtrise des épaisseurs des enduits, il a été possible d’atteindre à température ambiante et à 0% d’humidité relative des gains de propriétés barrière à l’hélium d’un facteur de 100 à 1000 en utilisant les enductions de PVOH et de Gélatine et en y ajoutant au moins 20% de charges. Pour la propriété de perméabilité à l’oxygène, les enduits les plus intéressants étaient le PVOH et la gélatine à température ambiante et à 0% d’humidité relative pour l’obtention de gain de plus de 80 à 350 par rapport à un PET non enduit. Comme pour les mesures de perméabilités à l’hélium, le taux de nanocharges optimal semble se situer vers 20% à 30% et on observe bien entendu pour l’ensemble des enduits une forte sensibilité à l’humidité.

Toutefois la sensibilité à l’humidité des films enduits de gélatine chargés à 20% est plus faible que celle des mêmes films enduits de PVOH. La gélatine semble donc un bon candidat compte tenu qu’à 23°C et à sec et même jusqu’à 50% d’humidité relative, on obtient un gain de perméabilité à l’oxygène de près de 350 alors que le gain est encore de plus de 2 à 85% d’humidité relative.

Les bonnes imperméabilités des films de gélatine ont été corrélées à la structuration particulière des feuillets d’argile en de larges couches parallèle à la surface de l’enduit et du film de PET ce qui explique les bonnes propriétés barrière obtenues. A des taux supérieurs, la fragilité des enduits ne permet plus leur observation.

L’utilisation de gélatine chargée de 20% à 30% de charges semble donc être très intéressante pour améliorer les propriétés barrière du PET tout en restant dans des produits sains en évitant le PVDC. Il reste toutefois une sensibilité à l’humidité à améliorer.

Ces résultats sont les bases des fondations d’un dépôt de projet FUI ou européen pour poursuivre les travaux en termes de propriétés mécaniques et d’optimisation du procédé de dépôt qui nécessiteront des outils plus industriels, notamment pour la mise en forme de coatings. On peut également étendre ces travaux i) aux encres et vernis qui pourraient alors apporter une plus grande fonctionnalité à ces matériaux, ii) au vieillissement des enductions et de leur adhésion qui sont critiques pour le gain de performance de ces matériaux nanochargés.

Ce projet a permis de réunir les forces présentes dans le RMT ACTIA ProPack Food en vue de générer des projets collaboratifs associant ces mêmes partenaires.