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Abstract
Face au besoin urgent de matériaux recyclables, il existe un intérêt croissant pour l’amélioration des emballages existants tels que les emballages multicouches. Cet emballage contient différentes couches de polymères, chacune répondant à un besoin différent, comme la barrière aux gaz, les propriétés mécaniques et la qualité du scellage. Pour assurer la barrière à l'oxygène, la couche barrière est généralement un polymère très peu perméable tel que l'alcool éthylène vinylique (EVOH) et le nylon. Cela présente toutefois des inconvénients tels que le coût et la non recyclabilité de l'emballage.
Une alternative intéressante pour remplacer cette couche est l'utilisation d'un revêtement haute barrière. À cette fin, le revêtement nanocomposite a été étudié dans cette thèse. La Montmorillonite (MMT) a été choisie comme charge en raison de sa disponibilité et de son prix abordable. Afin de mieux comprendre l’effet des polymères sur les propriétés de l’argile dans un revêtement nanocomposite, quatre polymères ont été choisis pour étudier les revêtements à base de liaisons hydrogène ; l’oxyde de polyéthylène (PEO), le polyvinylpyrrolidone (PVP), le chitosane (CS) et l’alcool polyvinylique (PVA).
En utilisant la technique de dépôt couche par couche (LbL), deux structures différentes, bicouche et quadricouche, ont été étudiées, qui diffèrent par le nombre de couches de l'unité répétitive (deux et quatre respectivement). Pour la structure bicouche, PVA, PEO et PVP ont été utilisés avec la MMT, tandis que dans la structure quadricouche, deux couches de CS ont été ajoutées à l'unité répétitive. L'avantage d'utiliser ces trois polymères (PEO, PVP, PVA) est la différence au niveau de leurs structures et leur liaison hydrogène avec la MMT qui permet une comparaison intéressante de leurs effets sur les propriétés de l'argile et sur la perméabilité.
Outre la barrière de ces revêtements, les propriétés de la MMT ont été étudiées en utilisant la diffraction des rayons X pour calculer l’espacement entre les couches et la spectroscopie infrarouge pour déterminer son orientation. Selon les résultats obtenus, le polymère choisi pour la structure LbL affecte l'orientation et l'intercalation de l'argile. Pour souligner l’importance de la région interfaciale dans les nanocomposites ayant une concentration élevée en charge, les données expérimentales de perméabilité ont été comparées à certains modèles de perméabilité existants et, à partir de ces résultats, une modification du modèle de Nielsen a été suggérée.
Dans la première partie de la thèse, le revêtement LbL a été appliqué par trempage, ce qui n’est pas couramment utilisé dans l’industrie. Pour préparer l’industrialisation de ce procédé, la technique ‘Doctor Blade’ a été choisie. L'avantage d'utiliser cette technique, est sa similarité avec les procédés industriels et le meilleur contrôle sur le volume de revêtement déposé que le trempage. Pour cette partie de la thèse, des revêtements de PVA-MMT ont été déposés par LbL avec les deux techniques. Pour réduire leur perméabilité, les deux revêtements ont été réticulés avec du glyoxal et du glutaraldéhyde. Les propriétés barrières ont été déterminées pour différentes valeurs de l'humidité relative afin d'évaluer l'impact de la technique de revêtement sur la barrière à l'oxygène. La morphologie du film et les propriétés de l'argile ont également été caractérisées. Étant donné que les agents de réticulation sont généralement soumis à des limitations concernant leur utilisation dans des emballages alimentaires, une approche différente a été étudiée pour réduire la perméabilité à l'oxygène. Elle consiste à augmenter la concentration de la solution de PVA, ce qui améliore considérablement la barrière à l'oxygène, même pour une humidité relative élevée. Un résultat différent a été obtenu avec l’augmentation de la concentration de la solution de MMT, car elle détériorait la perméabilité, que ce soit pour une humidité relative faible ou élevée. Cette partie a donc montré l’impact de la technique de revêtement sur les propriétés du revêtement.
La réticulation étant souvent considérée pour améliorer la barrière à l’oxygène, la dernière partie de ce travail a été consacrée à l'étude de la cinétique de réticulation. Deux types de revêtements ont été déposés par LbL sur un substrat de PET, PVA et PVA-MMT. Pour comprendre le mécanisme de réticulation, ces revêtements ont été réticulés avec du glyoxal pour différentes périodes de temps et leur perméabilité a été déterminée. Les résultats de perméabilité pour ces temps de réticulation ont permis l'identification des étapes de réticulation. La réaction de réticulation étant réversible, un environnement acide a été adopté pour étudier la cinétique de la réaction et déterminer la constante de réaction apparente. La caractérisation FTIR de ces revêtements a conduit à une corrélation entre les coefficients de perméabilité et l’intensité des pics FTIR pour une réaction avec et sans l’ajout d’un acide.
