La formation par la recherche

Intitulé de la thèse - Utilisation de l'extrusion bi-vis pour des emballages cellulosiques innovants obtenus par injection et thermocompression

Ces travaux de thèse ont pour objectif principal de proposer des alternatives biosourcées et recyclables aux emballages en plastique, en utilisant les procédés existants de la plasturgie (extrusion, injection, thermocompression). L’emballage final devra être recyclable dans la filière actuelle des papiers / cartons.
La première idée était d’utiliser les microfibrilles de cellulose (MFC). Les MFC constitueraient 100% de la composition de l’emballage. Grâce au procédé d’extrusion bi-vis, il est possible de produire ces MFC à 25wt% de matière sèche (2-3 wt% habituellement). Ces MFC à 25 wt% peuvent ensuite être moulées par injection. Lors de l’optimisation du séchage par thermocompression , le matériau se contracte et cela provoque des fissures dans l'emballage. Cependant le bénéfice des propriétés barrières des MFC a été exploité en utilisant le couchage par injection. Ce procédé permet de déposer une fine couche de MFC à la surface d’une structure cellulosique préformée pour la protéger des graisses et de l’oxygène. Ce procédé constitue le Brevet 1.
La seconde stratégie fut de réduire la quantité d’eau initialement présente dans les MFC afin de limiter le retrait au séchage. En travaillant sur les paramètres du procédé d’extrusion (gradient de température 50-200°C) cela a permis d’évaporer une partie de l’eau contenue dans les MFC, atteignant 50 wt% en sortie. Pour faciliter l’injection des additifs naturels ont été ajoutés. Suite au séchage par thermocompression, des prototypes sans fissures avec une surface très lisse et des propriétés de barrières aux graisses ont été obtenus. Cependant les temps de séchage et le retrait au séchage restaient significatifs.
La troisième stratégie fût d’utiliser les fibres de cellulose pour former la structure de l’emballage. Mélanger un additif naturel aux fibres a permis l’injection des fibres. L’additif s’accroche à la surface des fibres. L’hypothèse principale est que cet additif permet de créer une couche lubrifiante. Cette lubrification permet aux fibres de se déplacer sans dégradation lors d'une contrainte mécanique. Lors du séchage, l’enchevêtrement des fibres permet de limiter drastiquement le retrait. Plusieurs prototypes ont été réalisés comme un des éprouvettes de traction et de flexion, bouchon et une capsule de café. L’emballage final contient au minimum 90% de fibres de cellulose, c'est donc un matériau type papier qui est recyclable. Le procédé et le produit sont protégés par le brevet 2. Cet emballage peut ensuite être protégé par une couche de MFC déposée par couchage par injection (Brevet 1). La couche séchée par thermocompression permet de conférer des propriétés de barrière aux graisses et aux gaz.

Les résultats de cette thèse ont permis d'obtenir des financements pour le projet Injectose. Le but d'Injectose est d'amener le procédé de moulage par injection de fibres cellulosiques à l'échelle industrielle.

Mots clés : Extrusion bi-vis, Injection, Microfibrils de cellulose, Fibrillation, Thermocompression, Emballages durables

École doctorale : ED I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Énergétique, Procédés, Production
Laboratoire d’accueil : Laboratoire de Génie des Procédés pour la Bioraffinerie, les Matériaux Bio-sourcés et l'Impression Fonctionnelle (LGP2 - CNRS/UGA - Grenoble INP-UGA/AGEFPI) en collaboration avec le Centre Technique du Papier (CTP)
Direction de thèse : Julien BRAS, Evelyne MAURET et Elisa ZENO

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