Développement d'un film à base de polypropylène ayant des propriétés mécaniques et de scellage thermique améliorées

Les films plastiques utilisés dans les emballages alimentaires sont souvent composés de plusieurs couches, chacune ayant un rôle spécifique pour protéger l'aliment de l'environnement extérieur. Dans cette étude on s'intéresse spécifiquement à la couche intérieure, dite couche de scellage, et spécialement la couche de scellage à base de polypropylène. Ce dernier est de plus en plus utilisé pour des applications d'emballage spécifique et constitue une meilleure alternative au polyéthylène, le matériau de scellage par excellence, notamment grâce au développement de nouvelles générations de polypropylène. Trois polymères de structure moléculaire différente (un homopolymère, un copolymère éthylénique aléatoire et un copolymère éthylénique aléatoire élastomère) ont été sélectionnés puis caractérisés et des films à base de ces trois résines ont été produits par extrusion à l'échelle laboratoire. Dans la première partie de ce travail, une caractérisation thermique, rhéologique et chromatographique a été réalisée afin d'élucider la différence dans la structure moléculaire de ces trois polymère. Il a été montré que l'élastomère à une structure relativement linéaire avec une distribution de poids moléculaire étroite et un degré de branchement moins élevé en comparaison avec les deux autres polymères. On a pu aussi constater que la température de fusion et le degré de cristallinité du copolymère sont plus bas que ceux de l'homopolymère à cause de la présence des groupes d'éthylène dans le premier. Dans la seconde partie de cette étude, les propriétés de la tenue à chaud (Hot tack) et les propriétés du thermoscellage (Heat seal) ont été déterminées pour les films à base de résines pures, pour des mélanges de l'élastomère avec l'homopolymère et pour des mélanges de l'élastomère et le copolymère. D'abord, il a été montré que la température d'initiation de scellage (de la tenue à chaud et du thermoscellage) est régie par la température de fusion et le degré de cristallinité et que l'augmentation de la teneur de l'élastomère dans les mélanges entraine une diminution de la température d'initiation de scellage. Ensuite, on a pu montrer que la force de scellage dépend de la facilité de l'interdifussion des chaînes moléculaire à travers l'interface de scellage. Finalement, on a pu constater que la force du thermoscellage augmente par recristallisation à l'interface de scellage après refroidissement. Dans la troisième partie de cette étude, on a déterminé les propriétés mécaniques de traction, de perforation, de la résistance à déchirure et la résistance à l'impact. Il a été montré que plusieurs de ces propriétés sont améliorées par l'ajout d'une certaine quantité de l'élastomère au copolymère et à l'homopolymère, notamment la résistance à la déchirure et à l'impact.

Abstract

Polymer films used in food packaging are often composed of several layers, each has a specific role to protect the food from the outside environment. In this study we are specifically interested in the inner layer, known as sealing layer, and particularly the polypropylene-based sealing layer. The latter is increasingly used for specific packaging applications and provides a better alternative to polyethylene, premier sealing material, including through the development of new generations of polypropylene. Three polymers of different molecular structure (an homopolymer, a random ethylene copolymer and an elastomeric ethylene random copolymer) were selected and then characterized and films based on these three resins were produced by extrusion on a laboratory scale. In the first part of this work, thermal, rheological and chromatographic characterization was performed to elucidate the difference in the molecular structure of these three polymers. It has been shown that the elastomer has a linear structure with a narrow molecular weight distribution and low branching in comparison with the two others polymers. It was also found that the melting temperature and crystallinity of the copolymer are lower than those of the homopolymer due to the presence of ethylene groups in the former. In the second part of this study, hot tack and heat seal properties were determined for films based on pure resins, for elastomer/homopolymer and elastomer/copolymer blends. First, it was shown that the seal initiation temperature (for hot tack and heat seal) is governed by the melting temperature and crystallinity and the increase of the elastomer content in blends leads to a decrease of the seal initiation temperature. Then, it was shown that the sealing force depends on the ease of chains diffusion across the sealing interface. Finally, it has been found that the strength of the heat sealing increases by recrystallization in the sealing interface after cooling. In the third part of this study, tensile, puncture, tear and impact properties were determined. It has been shown that many of these properties are improved by adding a certain amount of the elastomer to the copolymer and the homopolymer, particularly the tear strength and impact resistance.