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Développement d'un film antibactérien ayant des propriétés de glissement pour une meilleure processabilité

Richard Silverwood

Masters thesis (2012)

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Cite this document: Silverwood, R. (2012). Développement d'un film antibactérien ayant des propriétés de glissement pour une meilleure processabilité (Masters thesis, École Polytechnique de Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/883/
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Abstract

La sécurité du produit est d’une importance cruciale pour l’industrie alimentaire. Le défi que constitue la salubrité des aliments est mis en évidence par le nombre d’intoxications alimentaires au Canada et à travers le monde. Une éclosion de Listériose en 2008, ayant mit la sécurité des Canadiens en péril, aura motivé la révision de la stratégie visant la sécurité des aliments au Canada. Dans ce contexte, une collaboration entre deux acteurs industriels québécois important et l’École Polytechnique de Montréal a été initiée. Cette collaboration s’est concrétisée par la création de La chaire de recherche pour des aliments sécuritaires, intelligents et durables. Un des nombreux projets d’avant-garde de cette Chaire de recherche est le développement d’un emballage ayant un effet bactéricide. Un grand nombre de composés sont actuellement sur le marché pour l’incorporation dans un produit fini. Zinc Omadine™ par ArchChemicals et Irgaguard™ par BASF sont quelques examples de produits qui ont faits leurs preuves. Toutefois, l’incorporation d’un agent bactéricide dans un produit ayant un contact direct avec des aliments doit répondre à certains critères de sécurité. Ainsi, un survol des divers agents antibactériens est effectué en regard de leur efficacité et de leur potentiel à être utilisé dans un produit d’emballage alimentaire. À ce jour, aucune technologie ne permet l’incorporation facile d’un agent antibactérien à une matrice polymérique. Le mélange des constituants antibactériens avec le polymère à l’état fondu procurera la simplicité poursuivie. Nous avons choisi l’oxyde de zinc nanométrique comme principal agent antibactérien en raison de son mode d’action, son grand potentiel de durabilité et son aptitude à ne pas migrer hors de la matrice de polymère en polyéthylène. De plus, son effet d’oligo-élément à très faible concentration est validé. Afin d’en augmenter l’efficacité, une bonne dispersion est atteinte en ajoutant un polyéthylène ayant des groupements d’anhydride maléique greffés. L’augmentation des propriétés antibactériennes par cette modification a été prouvée. Bien que ces films présentent un effet bactéricide marqué, un manque de persistance de l’effet antibactérien a été remarqué. Ceci est probablement du à un réarrangement de la structure moléculaire en surface. Ce réarrangement, dû à la nature polaire des particules, inhibe l’effet antibactérien des particules, ce qui les fait migrer à une distance critique, hors de leur champ d’action. Par ailleurs, nous avons evalué sommairement quelques autres agents antibactériens. L’oxyde de calcium (CaO) a démontré, bien qu’inférieur au ZnO, un potentiel antibactérien intéressant. La spécificité de son effet bactéricide pour les bactéries gram positives explique cet écart. L’ajout d’oxyde de fer (Fe2O3) n’a pas permis, par ses propriétés hydrophiles, d’augmenter les propriétés bactéricides du CaO, simplement en les mélangeant. Également, l’utilisation du thymol (composante d’huile essentielle du thym) s’est avérée efficace, même à de très faibles doses. Une interrogation plane, toutefois, sur la durabilité d’un tel agent. Son utilisation en conjonction avec un agent de compatibilité pourrait rendre l’effet v bactéricide nettement plus persistant, en ralentissant le processus de migration vers la surface du film. Cet effet bactéricide est diminué lorsque le thymol est mélangé avec du ZnO à la matrice de polyéthylène. Finalement, un outil visant l’optimisation des additifs de glissement a été développé. Pour ce faire, une corrélation qui lie l’absorbance en spectrométrie infrarouge (par réflexion ATR) à la concentration en surface de l’agent de glissement fut développée. En se servant de cette corrélation, aussi dénommé courbe maîtresse, et d’un test au spectromètre infrarouge sur un film inconnu, il est possible de retrouver la concentration d’additif de glissement initiale. Ces travaux mettent en évidence le potentiel de l’utilisation de l’oxyde de zinc et du thymol comme agent bactéricide efficient pour l’industrie alimentaire. Ces travaux constituent le premier effort à l’élaboration d’un film antibactérien, impliquant les oxydes métalliques nanométriques et une matrice polymérique de polyoléfine. -------- Product safety is of crucial importance for the food industry. The challenge of food safety is evidenced by the number of food poisoning in Canada and worldwide. An outbreak of listeriosis in 2008, having put the safety of Canadians at risk, has motivated the revision of the strategy for food safety in Canada. In this context, a collaboration between two major industrial players in Quebec and École Polytechnique de Montréal was initiated. This collaboration is supported by the creation of the Research Chair for safe, smart and sustainable food. One of the many forefront projects of this research chair is to develop a package having a bactericidal effect. Many compounds are currently available for incorporation into a finished product. Zinc Omadine™ by ArchChemicals and Irgaguard ™ by BASF are some examples of products that have proven themselves. However, the incorporation of a bactericidal agent in a product having a direct contact with food must meet certain safety criteria. Thus, an overview of various antibacterial agents is made in terms of their effectiveness and their potential use in packaging a food product. To date, no technology allows easy incorporation of an antibacterial agent in a polymer matrix. Antibacterial constituents of the mixture with the polymer melt will provide the simplicity pursued. We chose nano zinc oxide as the main antibacterial agent for its mode of action, its great potential for sustainability and its ability not to migrate out of the polyethylene polymer matrix. Moreover, the effect of trace element at very low concentrations is validated. To increase efficiency, good dispersion is achieved by adding a polyethylene with maleic anhydride grafted groups. The increase in antibacterial properties by this change has been proven. Although these films exhibit a marked bactericidal effect, a lack of persistence of the antibacterial effect was noticed. This is probably due to a rearrangement of the molecular structure on the surface. This rearrangement, due to the polar nature of particles, inhibits the antibacterial effect of the particles, causing them to migrate to a critical distance, outside their scope. Furthermore, we evaluated briefly some other antibacterial agents. Calcium oxide (CaO) demonstrated, although lower than ZnO, an interesting antibacterial potential. The specificity of the bactericidal for gram-positive bacteria for this variance. The addition of iron oxide (Fe2O3) did not, by its hydrophilic properties, increase the bactericidal properties of CaO, simply by mixing them. Also, the use of thymol (component of essential oil of thyme) was effective, even at very low doses. A question mark hangs, however, the sustainability of such an agent. Its use in conjunction with a compatibilizer could result in a much more persistent bactericidal effect, slowing the process of migrating to the film surface. This effect is reduced when the bactericidal thymol is mixed with ZnO in the polyethylene matrix. vii Finally, a tool for optimizing slip additives was developed. To do this, a correlation that links the absorbance in infrared spectroscopy (ATR reflection) to the surface concentration of the lubricant was developed. By using this correlation, also called master curve, and an infrared spectrometer to test an unknown film, it is possible to find the initial concentration of slip additive. These studies highlight the potential use of zinc oxide and thymol as efficient bactericidal agent for the food industry. This work represents the first effort to develop an antibacterial film, involving nanoscale metal oxides and a polymer matrix of polyolefin.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie chimique
Dissertation/thesis director: Abdellah Ajji
Date Deposited: 14 Nov 2012 14:22
Last Modified: 24 Oct 2018 16:10
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/883/

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