Les bioplastiques dans les emballages rigides : le matériau, sa mise en forme et sa modélisation

Les bioplastiques sont de plus en plus utilisés pour de multiples applications. De tous les bioplastiques disponibles sur le marché, le polylactide (PLA) est le bioplastique le plus répandu à cause de ses propriétés améliorées et de son prix de plus en plus compétitif. Parmi toutes les applications possibles pour le PLA, les contenants rigides à usage unique utilisés dans le domaine alimentaire et dans les produits de consommation tel l'électronique, offrent un fort potentiel de développement. Ces contenants sont majoritairement moulés par thermoformage en continu, avec ou sans l'aide de poinçon assisté. Le matériau présentement privilégié pour ces contenants est le polyéthylène téréphtalate sous sa forme amorphe (aPET). En 2004, profitant de son aspect écologique, de l'introduction du concept de développement durable et de la dépendance aux plastiques issus du pétrole, une première commercialisation et des essais de moulage de PLA furent réalisés. On voulait substituer le PET comme matériau pour des applications ciblées en alimentation rapide. Le PLA proposé ne contenait aucun additif particulier et présentait un comportement mécanique tout juste adéquat. Son aspect vert n'a pas su compenser pour ses faiblesses mécaniques. De plus, sa mise en oeuvre par thermoformage n'était pas à la hauteur de la substitution : sont survenus des problèmes d'éclatement et des craquelures lors de l'alimentation et de la découpe. Ces problèmes ne se présentaient pas avec le PET; lequel profitait de près de 20 ans de développement. Les transformateurs se rappellent de cette première expérience peu concluante, d'où l'intérêt mitigé manifesté pour le PLA par la suite. Cette recherche vise à prouver qu'il est possible de développer une utilisation commerciale à partir d'un PLA naturel, en le rendant plus résistant à l'impact durant sa mise en forme et lors de son utilisation comme contenant. Le PLA Ingeo™ 2003D de NatureWorks LLC est celui qui a été retenu. Ce PLA est conçu pour l'extrusion de feuilles minces qui seront transformées par thermoformage, en des contenants translucides. Il est aussi disponible commercialement et selon des prix pouvant permettre une certaine compétitivité. Dans un premier volet, dont le but est d'améliorer la performance du PLA à l'impact, des mélanges ont été réalisés en le combinant à différents plastifiants naturels tels que des citrates et de l'huile de castor ainsi que certains additifs élastomériques de type shell-core. Ces mélanges ont été transformés en feuilles minces de 400 μm à l'aide d'une extrudeuse mono-vis, profitant ainsi d'une orientation bénéfique, mécaniquement parlant. La résistance à l'impact des feuilles a vi été évaluée selon le test ASTM D5420 Impact Gardner en lieu et place du test ASTM D256 Résistance Izod normalement utilisé en recherche, afin de prendre en considération la forme finale et l'orientation moléculaire des feuilles de PLA. Par l'ajout de certains additifs, la résistance à l'impact a été augmentée d'environ 600 % par rapport à une feuille extrudée uniquement avec le PLA Ingeo™ 2003D; ceci, tout en maintenant un haut niveau de transparence et un minimum de diffusion lumineuse (haze). Le résultat de ce volet est le dépôt d'un brevet, conjointement avec le partenaire commercial, sur la formulation en revendiquant plus que ce seul aspect. Lors du second volet de la recherche, deux formulations optimalisées ont été transformées industriellement par un partenaire industriel, en feuilles de 400 μm, selon des standards de qualité industrielle. Chez un deuxième partenaire industriel, les deux formulations en feuilles ont été transformées à l'aide d'une presse de thermoformage sous vide avec poinçon assisté (THAP), en des contenants de 1 000 ml. Les conditions ou paramètres de production pour ces contenants en PLA (amélioré) ont été comparés, sur les plans qualitatif et quantitatif, à ceux d'une production normale de ces mêmes contenants moulés en PET. Les conditions de mise en oeuvre observées ont été comparables en utilisant le même équipement, les mêmes moules et poinçons ainsi que les mêmes couteaux de découpe. Outre quelques changements mineurs dans les conditions de moulage, les PLA améliorés ont semblé être plus faciles à découper que le PET, car des pressions plus faibles étaient requises. La cadence de production obtenue pour le moulage de PLA a été la même que celle obtenue pour le moulage du PET. Nous avons conclu qu'une situation de substitution sans modification majeure (drop-in) est donc possible sans perte de qualité significative. Finalement, comme dernier volet, différentes formes du poinçon ont été évaluées pour une optimisation de la distribution des épaisseurs de paroi (DÉP) dans le cas d'un contenant de 500 ml moulé en aPET. Et ce, en considérant que l'utilisation d'un poinçon lors du thermoformage par le vide assisté par poinçon (THAP) influence directement la DÉP du contenant, à cause du pré-étirement de la feuille chaude par le poinçon. Dans ce cas précis, les formes et géométries ont été préalablement dessinées sous SolidWorks™ et importées dans le logiciel de modélisation ThermoView™ du Conseil National de Recherches du Canada. Une première série de six formes ont été modélisées individuellement et leurs DÉP ont été analysées avec rigueur. À la suite de vii cette analyse, une deuxième série, composée de trois différents poinçons, a été conçue. Cette deuxième série de poinçons a été également modélisée et la DÉP en résultant fut analysée. En parallèle, ces trois même poinçons ont été usinés et installés sur le même équipement que celui utilisé régulièrement pour le thermoformage des contenants. Une production d'environ 8 000 contenants a été réalisée. Des échantillons significatifs ont été sélectionnés. Les épaisseurs aux coins, aux côtés et au fond de contenants ont été mesurées et comparées à celles issues de la dernière série de simulations. Les épaisseurs réelles et celles obtenues par modélisation ont été comparées. Une forte reproduction a été obtenue pour les coins et les côtés. Seules les épaisseurs du fond du contenant étaient moins en concordance. Les volets de la recherche ont fait l'objet de deux articles scientifiques, soumis pour fins de publication à des revues avec comité de lecture. À la suite des résultats obtenus suite à tous les travaux et activités réalisées dans le cadre de cette recherche doctorale, nous sommes convaincus qu'on peut se servir du PLA comme bioplastique pour la production de contenants rigides à usage unique et ce, en utilisant les outillages et équipements normalement utilisés pour le aPET.

Abstract

Today, bioplastics are increasingly used in a variety of different applications. Out of all bioplastics available on the market, polylactide (PLA) is the most used due to its enhanced properties and its price competitiveness. Among all possible applications for PLA, rigid, single use containers, for the food industry and consumer products such as electronics, show the greatest potential for development. These containers are mostly molded using a thermoforming process, with or without a plug assist technology. The presently preferred material for these containers is polyethylene terephthalate in its amorphous form (aPET). Taking advantage of the marketing of environmental impact and introduction of the idea of sustainable development, the first marketing and molding trials of PLA were carried out in 2004. PLA suppliers wanted to replace the aPET as material for targeted fast-food applications. At that time, the proposed PLA contained no specific additive and barely had adequate mechanical performance compared to aPET. The environmental and sustainable aspects associated with PLA were not able to compensate for the mechanical gaps in performance. Moreover, its implementation via thermoforming was a challenge to substitute with problems of shattering and cracking that occurred during the feeding and die-cutting stages. These problems did not occur with aPET, which took advantage of nearly 20 years of technical development. Processors or thermoformers remember that first inconclusive and negative experience; their mix feelings around PLA's processability still strongly remain today. This research aims to prove that it is possible to develop a commercially viable biobased PLA, making it more resistant to impact through formulation modifications as well as improvements to the processing through plug assist vacuum thermoforming (PATH). Ingeo™ PLA 2003D from NatureWorks LLC was the PLA used for this research. This semi crystalline PLA is designed for the extrusion of thin sheets and the thermoforming in transparent containers. It is also available commercially as its prices may allow some competitiveness with aPET containers. This research is divided in three parts. In the first part, aims to improve the performance of PLA's impact properties through new formulations that were prepared by combining different natural plasticizers such as citrate and castor oil and some elastomeric additives. These compounds were processed into thin sheet of 400 microns using a single-screw extruder, and gaining in mechanical behaviors from this beneficial polymer orientation. By adding certain ix additives, impact resistance was increased by nearly 600 % compared to an extruded neat Ingeo™ PLA 2003D sheet, while maintaining a high level of transparency and minimal haze. In the second part of this research, two optimized formulations were industrially processed by an industrial partner into sheet rolls of 400 μm thick and according to industrial quality standards. With the collaboration of a second industrial partner, these two formulation sheet rolls were transformed using a thermoforming press plug assisted, into containers of 1000 ml. Processing parameters for producing these containers with improved PLA formulations were compared, from qualitative and quantitative points of view to the normal containers molded in aPET. Processing conditions were observed as comparable using the same equipment, molds, dies and die-cutting system as aPET. Besides some minor changes in molding conditions, the improved PLA formulations appeared to be easier to die-cut than aPET because lower pressure was required. The production rate (i.e. cycle time) obtained for molding the improved PLA formulations, was the same as the rate obtained for molding aPET. We concluded that a drop-in solution (i.e. without major modifications) was possible without any significant loss in quality. Finally, the thermoforming plug forms were evaluated for optimization of wall thicknesses distribution (WTD) in the case of a 500 ml container molded in aPET. It is assumed that a well-designed plug will influences the WTD, mainly during the pre-stretching of the warm sheet and should bring additional thickness from bottom surface to corners and sides of a container. In this case, shapes and geometries of mold and plug have been previously drawn in SolidWorks ™ and imported into the ThermoView ™ modeling software, conceived by the Canadian National Research Council. A first series of six forms was modelised individually and the WTDs were analyzed rigorously. Following this analysis, a second series of three different plugs shapes, was designed. This second series of punches was also modelised and the WTD results were analyzed. In parallel, three plugs were fabricated and installed on the same equipment used for thermoforming these containers. Production of approximately 8000 containers was run and significant samples were selected. The thickness at the corners, sides and bottom of the containers were measured and compared with a series of simulations. High reproduction was obtained for the corners and sides. Only the bottom thickness of the containers was less x consistent. Two scientific papers, around these aspects, were submitted for publication in peer-reviewed journals. In conclusion, we believe that a PLA can be specially formulated to improve its impact properties in such a way that it can be used for the production of single-use containers while maintaining the same tools and equipment used normally for processing of aPET containers.