Rapport d’Etonnement

5 octobre

2010 

Rédigé par :

Christelle GALLET

Ingénieur Chargée de mission à l’ARDI Rhône-Alpes Matériaux et Procédés

Dominique APPERT

Ingénieur R&D du Centre de Formation de la Plasturgie (CFP)

Les Matériaux Polymères et le Secteur de l’Emballage

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Sommaire  

Sommaire ................................................................................................................... 2 

Introduction ............................................................................................................. 3 

I.  Présentation de l’événement ................................................................................ 3 

1.  L’organisateur de l’événement .............................................................................. 3 

2.  Programme de l’événement .................................................................................. 3 

II.  Contenu : les thèmes/axes abordés ...................................................................... 4 

Conclusion ............................................................................................................... 9 

Remerciements ......................................................................................................... 9 

Contacts / liens Utiles .............................................................................................. 10 

Annexes ................................................................................................................. 11 

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Introduction

Le CFP, en partenariat avec l’ARDI Rhône-Alpes Maîtrise des Matériaux, a organisé à Lyon le 5 octobre 2010 une journée de l’innovation dédiée au secteur de l’Emballage. L’objectif était de montrer les solutions en réponse aux attentes nouvelles des fabricants et utilisateurs d’emballages, un focus particulier sur les solutions techniques d’emballages innovants.

I. Présentation de l’événement

1. L’organisateur de l’événement Depuis 25 ans, le CFP propose des formation qui contribuent à développer de nouvelles compétences, partager les meilleures pratiques, acquérir des méthodes et des outils répondant à des besoins d’initiation, de perfectionnement ou d’expertise..Experts et pédagogues avertis des domaines sur lesquels ils interviennent, les consultants formateurs du CFP ont tous exercé des responsabilités en entreprise. Professionnels de terrain, ils partagent avec les stagiaires leur expérience et apportent des solutions immédiatement opérationnelles, grâce à la diversité de leur formation initiale, de leur cursus professionnel et des secteurs d'activité dont ils sont issus.

2. Programme de l’événement

• Emballages alimentaires en Europe : tendances et innovations - Thierry VARLET, BREIZPACK

Fonctions de l’emballage, pistes d’évolutions actuelles et à venir, les emballages actifs, les modes sociétaux, les emballages intelligents, les tendances technologiques, les préoccupations environnementales.

• Les propriétés et les spécificités des polymères face aux exigences de l'emballage - Jean-Pierre COUVERCELLE, UNIVERSITE DE BOURGOGNE

Intérêt de développer des emballages actifs, performances et limites des polymères dans l'emballage traditionnel, notions de chimie et de physico chimie des polymères face à l'incorporation d'un principe actif.

• Matériaux interactifs (actifs et / ou intelligents) en emballage - Lan TIGHZERT, ESIEC Les emballages actifs et les différentes voies pour les mettre en œuvre, les emballages intelligents, les attentes de l’industrie de l’emballage.

• Modification raisonnée des surfaces plastiques pour des applications antimicrobiennes : Propriétés de surface et test d’adhésion - Anne-Marie RIQUET, INRA

Concept novateur de modification de façon raisonnée des propriétés physico chimiques de surface des matériaux plastiques par radio greffage de molécules fonctionnelles.

• Packaging actif : Absorbeur d’oxygène et anti-microbien - Jean-Claude JAMMET, AMCOR

Cadre économique et réglementaire du développement de nouveaux emballages. Solutions innovantes d’absorbeurs d’oxygène et d’anti-microbiens, principes de base et principaux résultats

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• Nouvel additif multifonctionnel pour polymère : antibactérien, électroluminescent, magnétisable - Pierre-Paul JOBERT, DUNCAN Prospective - René GENILLON, MAPEA

Les particules, leur aptitude au compoundage, les applications potentielles dans le secteur de l’emballage.

• Etude de l’effet d’un traitement plasma sur les propriétés de l’acide polylactique (PLA) - Elmira ARAB TEHRANY, ENSAIA

Travaux visant à améliorer les propriétés du PLA pour le rendre compétitif dans les applications de l’emballage.

• Nano-biocomposites pour l’emballage : carrefour du Bio et du Nano - Yves GROHENS, UBS LORIENT

Nouvelles propriétés des biopolymères apportées par l’incorporation de nanocharges (argiles, whiskers, etc.) pour les applications de l’emballage. Notion de risque.

• L’emballage pharmaceutique : innovation & plastique - Thomas BIJOU et Julien BROUARD, EFC Solutions Packaging

L’emballage plastique et le marché de la santé, innovation technique plastique, nouvelle fonction pack et liberté de forme.

• Élaboration et mise en forme de matériaux multicouches par le procédé de coextrusion : Aspects expérimentaux et fondamentaux - Abderrahim MAAZOUZ, INSA LYON

Maîtrise des procédés multicouches afin d’obtenir des matériaux à propriétés contrôlées.

II. Contenu : les thèmes/axes abordés L’emballage d’un produit doit satisfaire de nombreuses fonctions avec toujours plus de performances : protéger le contenu, mettre en valeur le produit, communiquer sur le mode d’emploi, faciliter la vie de l’utilisateur, préserver le produit sur la durée, limiter l’impact sur l’environnement, maintenir les coûts... sans perdre de vue les préoccupations économiques et de fin de vie. Par l’éventail des technologies et par les progrès des matériaux polymères, ceux-ci offrent de réelles perspectives pour des emballages innovants.

• Emballages alimentaires en Europe : tendances et innovations

France Emballage est une association qui regroupe 7 réseaux d’industriels de l’emballage en France, dont Breizpack en région Bretagne, et Rhône-Alpes Packaging réseau nouvellement créé. Les réseaux ont pour missions principales de former ou d’informer les entreprises, de les assister sur des sujets tels que les réglementations, la recherche de partenaires ou fournisseurs, et de contribuer à des actions collectives.

Concernant l’emballage, Mr Varlet a décrit les sept fonctions essentielles. L’emballage doit tout d’abord contenir le produit et le protéger contre les altérations mécaniques, physiques, chimiques qu’il pourrait subir. Un emballage doit être ergo-conçu, c’est-à-dire qu’il doit être facilement utilisable par le consommateur. Il faut par exemple concevoir un bouchon avec un

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couple d’ouverture convenable, une taille adaptée, concevoir un contenant avec une bonne prise en main, des matériaux choisis aussi pour leurs propriétés tactiles. Une autre fonction est l’inertie de l’emballage par rapport au produit emballé : l’emballage ne doit pas céder de substance pouvant nuire à la qualité du produit. Mais cette notion a évolué en 2004 et le législateur a introduit la notion d’emballage actif : l’emballage ne doit pas altérer la santé du consommateur mais il est accepté que l’emballage cède des substances vers le produit ou absorbe des substances pour améliorer les conditions de conservation du produit. L’éco conception avec notamment la responsabilité en fin de vie des produits mis sur le marché est une fonction appliquée à l’emballage depuis déjà de nombreuses années. Enfin l’emballage doit assurer la fonction communication pour informer sur le produit, sur la façon de l’utiliser, de le consommer, pour faire la promotion du produit. Et la dernière fonction concerne l’évolutivité, car dans le domaine de l’emballage les règlements évoluent, de même que les matériaux, les procédés, les modes de consommation, etc. Ces nombreux facteurs d’évolutivité associés aux différentes fonctions de l’emballage ouvrent sans cesse des possibilités d’innovation. On peut citer le cas d’un emballage pour hamburger tout récemment conçu. Le produit a été prévu pour être réchauffé au four microonde tout en gardant la souplesse du pain de mie. Pour cela l’emballage a été réalisé en multi matériaux avec un carton enduit d’un système réflecteur pour transformer les ondes microondes en énergie infrarouge. Ce carton est disposé à l’intérieur d’une double alvéole en matière plastique thermoformée associée à deux autres alvéoles en carton. En fin de chauffage au four, la pression à l’intérieur de l’emballage provoque une rupture de la soudure des deux demi-coques facilitant l’ouverture par l’utilisateur. Les parties carton et plastique de l’emballage sont ensuite facilement séparables pour prévoir leur recyclage.

• Les propriétés et les spécificités des polymères face aux exigences de l'emballage

Mr Couvercelle de l’Université de Bourgogne a présenté les critères et les contraintes des polymères dans le secteur de l’emballage. Les propriétés finales du matériau polymère vont notamment dépendre du motif de répétition de la chaîne polymérique, de l’organisation des macromolécules et de facteurs extérieurs tel que la température, les conditions de mise en œuvre ou la présence de petites molécules. De bonnes propriétés barrières sont généralement obtenues avec des polymères présentant une forte cohésion, ce qui implique, de fait, une mise en œuvre plus difficile. Le taux de cristallinité du polymère joue également un rôle dans les propriétés barrières, la phase cristalline étant généralement imperméable aux gaz. Bien souvent les matériaux hautement barrières aux gaz présentent un caractère polaire, des interactions de type liaison hydrogène et une structure organisée. On peut noter que l’on retrouve depuis de nombreuses années sur le marché de l’emballage les mêmes polymères pour satisfaire des fonctions barrières. Ce sont l’EVOH et le PVDC utilisés en multicouche avec du PP, PE, PET, PS ou PA.

• Matériaux interactifs (actifs et / ou intelligents) en emballage

Mme Lan Tighzert de l’ESIEC1 a passé en revu les matériaux actifs et les matériaux intelligents pour l’emballage.

1 ESIEC : École Supérieure d’Ingénieurs en Emballage et Conditionnement

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Un matériau actif est défini comme ayant une action sur le produit emballé. Un emballage actif peut être un absorbeur d’oxygène, d’éthylène, de CO2, de H2S, … il peut être anti-humidité, il peut aussi être un répulsif d’insectes… Les emballages actifs sont très utilisés en Asie, très utilisés aux Etats-Unis avec une croissance annuelle de 30 %, alors qu’ils commencent seulement à arriver sur le marché français. Les emballages actifs peuvent être obtenus par l’utilisation d’un matériau possédant des propriétés intrinsèques spécifiques, ou par l’ajout d’accessoires (par ex. un sachet ou une étiquette), ou par l’incorporation d’agents actifs dans le polymère ou en surface (revêtement, greffage, micro encapsulation…). Concernant les matériaux possédant des propriétés intrinsèques, il en existe deux pouvant intéresser le secteur de l’emballage : la cellulose de bambou qui est bactériostatique et anti-odeur, et le chitosane qui est un coproduit de l’industrie des fruits de mer et qui possède des propriétés fongistatiques et également bactériostatiques. Le chitosane, très employé au Japon, est très rigide et ne peut donc être utilisé qu’en greffage ou en mélange avec d’autres polymères. Concernant l’incorporation d’agents actifs dans ou en surface de polymère, on trouve des agents anti-microbiens ou anti-oxydants tels que des huiles essentielles, des aldéhydes, des composés phénoliques, des terpènes, des protéines, l’argent, l’acide sorbique …. La micro-encapsulation est une technique actuellement très étudiée, ainsi que les nanocomposites à base d’argile lamellaire ou de nano-TiO2. Enfin, parmi les emballages actifs, on trouve aussi des emballages hermétiques remplis d’un mélange gazeux spécial (MAP : Modified Atmosphere Packaging), et des emballages perméables à air conditionné et contrôlé (EMAP : Equilibrium Modified Atmosphere Packaging) constitué d’un film avec des petites perforations pour réguler la perméabilité à l’air.

Le matériau intelligent, quant à lui, va informer sur la qualité du contenu. Il existe plusieurs techniques d’élaboration d’emballages intelligents permettant d’obtenir une indication sur l’état de l’aliment. On trouve notamment des pastilles temps-température qui contiennent un colorant sensible à la chaleur, avec un changement de couleur réversible pour indiquer la température du contenu, ou irréversible pour indiquer une rupture de la chaîne du froid, ou encore des détecteurs de fuites avec des encres qui changent de couleur en présence d’oxygène.

• Modification raisonnée des surfaces plastiques pour des applications antimicrobiennes : Propriétés de surface et test d’adhésion

Mme Riquet de l’INRA est intervenue sur le sujet de la modification des propriétés de surface pour des applications anti-microbiennes. Les emballages anti-microbiens sont encore peu développés en raison de la réglementation qui imposait des matériaux inertes. Cette réglementation étudie désormais les produits au cas par cas. Cependant, combattre les bactéries n’est pas une chose facile car ces dernières peuvent se défendre en développant des résistances ou en formant des biofilms limitant la diffusion d’agents antimicrobiens. L’INRA a choisi d’étudier la voie qui consiste à agir sur l’hydrophobicité de la surface de l’emballage pour atteindre des propriétés anti-bactériennes. Les travaux menés ont permis d’obtenir des surfaces de polypropylène superhydrophiles par radio-greffage de monomères hydrophiles. Trois monomères différents ont été testés : un anionique (acide acrylique), un cationique (sel d’ammonium quaternaire) et un neutre (diméthyle acrylamide) Ce traitement permet d’obtenir des surfaces avec un gradient de propriétés polaires et électrostatiques et de moduler ainsi l’adhésion des bactéries.

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• Packaging actif : Absorbeur d’oxygène et anti-microbien

Mr Jammet de la société AMCOR a présenté quelques travaux du groupe de recherche chargé de développer des emballages actifs. La société travaille sur l’incorporation de fonctions dans des films souples et développe notamment des dépôts de palladium qui en présence d’hydrogène vont absorber l’oxygène sur des produits secs ou humides avec des cinétiques adaptées. Des dépôts transparents ont été réalisés sur des films PET pour une utilisation dans des emballages MAP, mais l’efficacité à ce jour de ces dépôts dépend des aliments emballés : de bons résultats ont été obtenus avec des quartiers d’oranges, tandis que les résultats restent médiocres avec du jambon. Une optimisation de ces dépôts et une évaluation auprès de l’EFSA sur les éventuels effets sur la santé du palladium vont donc être réalisées. Le laboratoire développe également un film contenant un anti-bactérien à base zéolite d’Argent. La société Amcor Flexibles propose des solutions qui ont démontré leur efficacité en laboratoire et qui sont en cours d’évaluation en grandeur réelle.

• Nouvel additif multifonctionnel pour polymère : antibactérien, électroluminescent, magnétisable

Les sociétés Mapéa et Ducan Prospective ont présenté un nouveau matériau biocide composé de particules luminescentes (dimension 0,5 à 1μm) avec un revêtement nanostructuré d'argent métallique. L’intérêt de ce matériau est la possibilité de détecter la présence de la fonction biocide dans l’emballage par éclairage UV et capteur optique, de part ses propriétés luminescentes. La société Mapéa propose d’intégrer ce matériau dans un polymère massif ou sous forme de revêtement. Pour cela il sera nécessaire d’adapter la formulation pour atteindre les propriétés recherchées en termes d’activité antibactérienne, de mise en œuvre et de performance d’usage tout en prenant en compte les aspects économiques. Selon Mr Genillon de la société Mapéa, il serait possible d’obtenir un gradient de concentration dans le matériau polymère afin que le biocide se retrouve préférentiellement en surface. Les applications visées se situent dans un premier temps dans le domaine de l’emballage de médicaments, de matériel chirurgical ou de produits cosmétiques.

• Etude de l’effet d’un traitement plasma sur les propriétés de l’acide polylactique (PLA)

Mme Arab Tehrany de l’ENSAIA2 a exposé les effets d’un traitement plasma sur les propriétés du PLA. Le traitement est réalisé avec un mélange d’azote et d’oxygène, à une puissance de 376 W. Il induit un phénomène de gravure qui structure la surface, et un phénomène de greffage avec l’incorporation de groupes polaires. Le traitement plasma permet d’améliorer la mouillabilité du PLA mais il ne modifie pas la perméabilité à la vapeur d’eau ou à l’oxygène, ni les propriétés thermiques. Ces travaux vont être poursuivis avec d’autres types de plasma.

2 ENSAIA : École Nationale Supérieure d'Agronomie et des Industries Alimentaires

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• Nano-biocomposites pour l’emballage : carrefour du Bio et du Nano

Les convergences entre les biopolymères et les nanomatériaux ont fait l’objet de la conférence de Mr Grohens de l’UBS3. Actuellement, une large gamme de propriétés mécaniques est accessible avec des polymères biosourcés, mais pour des applications en emballage, les principales propriétés qui restent à améliorer sont la perméabilité à l’oxygène et la tenue thermique. Les solutions possibles sont la réticulation, l’incorporation de fibres pour les pièces massives, ou l’incorporation de nano-charges. Le laboratoire de l’UBS a choisi d’étudier les nano-charges. Selon Mr Grohens, les nanocomposites biodégradables sont les matériaux du futur.

Les travaux menés par le laboratoire ont permis de montrer que l’ajout de nano-argile améliore la tenue thermique et les propriétés barrières du PLA, mais sans atteindre le niveau des propriétés barrières des matériaux actuellement utilisés dans les applications de l’emballage. Toutefois, les nano-argiles peuvent avoir un intérêt dans les concepts de multicouche, ou peuvent permettre de contrôler la biodégradation du matériau.

Le laboratoire a également montré le fort potentiel des wiskers de cellulose pour les applications de l’emballage, avec des propriétés améliorées similaires à celles obtenues avec les nano-argiles. Cependant, le procédé d’extraction de ces wiskers est pour le moment peu écologique et des problèmes de dispersion dans la matrice subsistent. Les recherches futures porteront sur des procédés d’extraction plus propres (voie enzimatique), sur la modification de surface et sur la dispersion dans les matrices biosourcées. La toxicité potentielle de ces wiskers devra également être étudiée.

Concernant les nanocomposites à base de nanotubes de carbone, ceux-ci sont actuellement utilisés dans l’emballage des composants électroniques afin d’éviter l’électricité statique. Des applications sont envisagées pour des emballages intelligents qui pourraient détecter la présence de certains gaz (éthylène, ammoniac, …).

• L’emballage pharmaceutique : innovation & plastique

Mr Bijou et Mr Brouard de EFC Packaging ont axé leur présentation sur l’emballage pharmaceutique. Ce domaine présente de nombreuses contraintes et les polymères permettent de répondre à certaines d’entres elles (innocuité, neutralité, protection, propreté, stérilité …). Il existe deux axes de travail dans le domaine pharmaceutique : un axe qui a pour objectif d’apporter des solutions techniques pour résoudre des problématiques liées aux emballages des médicaments prescrits, et un axe qui s’oriente plutôt vers l’apport de fonctions et la différentiation du produit pour apporter des valeurs d’usage et de marque dans le domaine de l’automédication. Dans le domaine pharmaceutique, la fonction doit être intégrée directement dans l’emballage et non dans un élément qui serait ajouté (type sachet). Il existe des emballages plastiques en multicouches transparents à très hautes propriétés barrières qui ont pour objectif de se rapprocher des propriétés barrières de l’aluminium tout en conservant la transparence. On constate également un fort développement des systèmes mono-doses. Les innovations sont plus lentes dans le secteur pharmaceutique en raison de la réglementation. Il y a cependant plus de liberté dans le domaine de l’automédication pour lequel les emballages vont devoir fortement évoluer. 3 UBS : Université de Bretagne Sud

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• Élaboration et mise en forme de matériaux multicouches par le procédé de coextrusion : Aspects expérimentaux et fondamentaux

M. Maazouz de l’INSA de Lyon a présenté l’élaboration de matériaux multicouches par le procédé de coextrusion. Ce procédé consiste à extruder dans une même filière (qui peut être plane ou axisymétrique), plusieurs fluides simultanément, chacun provenant d’une extrudeuse. On obtient ainsi un écoulement multi matière et après refroidissement un produit multicouche.

Chaque couche confère au produit des propriétés spécifiques (propriétés barrières, tenue thermiques,….). Cette technologie permet des configurations allant jusqu’à 11 couches pouvant associer d’autres propriétés (flexibilité, aspect et design, …). La qualité du produit obtenu dépend fortement de l’adhésion entre chacune des couches. Il est souvent nécessaire d’introduire un liant entre les couches car en général les polymères utilisés ne sont pas compatibles entre eux. Des défauts créés lors de l’extrusion peuvent endommager les propriétés du multicouche. Parmi ces défauts, on trouve notamment des problèmes d’adhésion entre les couches, des phénomènes d’enrobage du polymère le plus visqueux par le moins visqueux ou des phénomènes d’instabilité interfaciale. La plupart des chercheurs qui se sont intéressés à la stabilité interfaciale entre deux polymères fondus en coextrusion, ont considéré que les forces visqueuses, et dans une moindre mesure les forces élastiques, étaient le moteur potentiel de ces instabilités. Cependant, les travaux réalisés par l’INSA montrent que les affinités physico-chimiques entre les polymères jouent un rôle non négligeable sur ces instabilités à l’interface. Il a été montré que la fonctionnalisation des polymères permet de stabiliser le procédé et d’atténuer voir de supprimer les instabilités. L’étude des défauts lors de la coextrusion nécessite une démarche pluridisciplinaire qui prend en compte la chimie aux interfaces, les transferts de masse et de chaleur, la rhéologie et les propriétés des matériaux.

Conclusion

Au-delà des conférences de qualité, la journée de l’innovation du 5 octobre 2010 au PEDC4 a été l’occasion pour les participants d’échanger, de partager des expériences, de nouer des contacts, et de découvrir aussi des objets plastiques éco-conçus proposés dans le show-room du PEDC.

Remerciements

Le CFP et l’ARDI Rhône-Alpes Maîtrise des Matériaux remercient le Conseil Régional Rhône-Alpes qui a soutenu cette manifestation, et remercient les intervenants de la journée du 5 octobre 2010, par ordre d’intervention à la journée :

4 PEDC : Plastic Eco Design Center

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Thierry VARLET, BREIZPACK Jean-Pierre COUVERCELLE, Université de Bourgogne Lan TIGHZERT, ESIEC Anne-Marie RIQUET, INRA Jean-Claude JAMMET, AMCOR Pierre-Paul JOBERT, DUNCAN Prospective René GENILLON, MAPEA Elmira ARAB TEHRANY, ENSAIA Yves GROHENS, Université de Bretagne Sud Thomas BIJOU et Julien BROUARD, EFC Solutions Packaging Abderrahim MAAZOUZ, INSA de LYON

Contacts / liens Utiles

http://www.plasturgie-formation.com/journees-innovation.html

Dominique Appert Christelle Gallet Ingénieur R&D Ingénieur Chargée de mission CFP ARDI Rhône-Alpes Matériaux et Procédés d.appert@cfp-france.com christelle.gallet@ardi-rhonealpes.fr

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Annexes

Documentation Breizpack

Emballage actif – Documentation Breizpack

Documentation Breizpack

OO22

CO2