La chimie chromatogénique est un nouveau procédé de chimie propre qui permet le greffage moléculaire de matériaux hydroxylés avec des acides gras à longue chaîne. Dans cette étude, elle a été appliquée à la conception et à la réalisation de matériaux cellulosiques présentant les propriétés barrière requises pour l'emballage alimentaire (barrière à l'eau, aux graisses, aux gaz ...). Dans un premier temps, nous avons voulu approfondir notre connaissance du mécanisme de la réaction de greffage des supports cellulosiques et nous avons ainsi développé un test simple permettant la visualisation de l'avancement de la réaction dans le plan de la feuille de papier, le « Droplet Surface Migrating Test ». Nous avons ensuite caractérisé les propriétés acquises par ces supports après greffage : les papiers greffés présentaient une augmentation marquée de leur hydrophobie ainsi qu'une bonne aptitude à l'écriture. Les propriétés barrière restaient toutefois faibles par suite de la perméabilité du support. Ceci nous a amené à étudier les propriétés barrière des supports papier/carton enduits avec des polymères filmogènes, hydroxylés (amidon, alcool polyvinylique-PVA) puis soumis à la réaction de greffage. Il est alors apparu que la combinaison d'une enduction du papier avec certaines qualités de PVA et un greffage de la face enduite permet d'obtenir des propriétés barrière (à l'eau, vapeur d'eau, gaz et graisses) particulièrement intéressantes. Une analyse structurelle du nouveau matériau a permis de mettre en évidence que la qualité de ces propriétés barrière dépend de la masse moléculaire du PVA, de son degré d'hydrolyse et qu'elles sont dues à la formation d'un copolymère bloc organisé, généré par le greffage séquentiel de la chaîne de PVA.

Ces dernières années, une attention particulière a été portée aux polymères biodégradables et biocompatibles, notamment du point de vue écologique. Le développement de biopolymères pour des applications d'emballage alimentaire implique des exigences industrielles spécifiques telles qu’un bas prix ainsi que de bonnes propriétés mécaniques, thermiques et barrières. Le Polylactide (PLA) a attiré beaucoup d’attention car il est produit à partir de ressources naturelles renouvelables, et en raison de sa capacité de mise en œuvre et de ses bonnes propriétés mécaniques. Pour que le PLA puisse être développé à grande échelle pour des applications industrielles dans le domaine de l’emballage, ses propriétés barrières doivent être améliorées. La cristallisation est une méthode très utilisée pour améliorer les propriétés barrières mais n'est pas suffisante dans le cas du PLA. De nouvelles stratégies sont étudiées pour obtenir des effets plus importants. L'une d'entre elles consiste à confiner géométriquement le polymère jusqu’à l’échelle nano en utilisant le procédé de co-extrusion multicouche combiné éventuellement avec un recuit. Cette technologie respecte l'environnement et a déjà prouvé son efficacité pour améliorer les propriétés barrières aux gaz dans le cas d'autres polymères.Cette étude propose d'abord le développement de films PLA avec des structures cristallines différentes dans le but d'optimiser les conditions de cristallisation pour obtenir de meilleures propriétés barrières à l'oxygène. Parmi les différentes structures cristallines obtenues, la perméabilité est la meilleure lorsque le PLA a été cristallisé rapidement à partir de l’état vitreux pour atteindre un degré de cristallinité élevé et un bon découplage de la phase amorphe et cristalline. Ensuite, le PLLA a été confiné par deux polymères amorphes, le Polystyrène et le Polycarbonate. Nous avons montré que le polymère confineur peut influencer la structure cristalline et la mobilité de la phase amorphe du PLLA, influençant ainsi sa perméabilité. / In recent years, much attention has been focused on biodegradable and biocompatible polymers, particularly from an ecological viewpoint. The development of biopolymers for food-packaging applications implies ecofriendly character to specific industrial requirements as low-cost and good mechanical, thermal and barrier properties. Polylactide (PLA) has been attracting great attention, because it can be obtained from renewable sources, and due to its good process ability and mechanical properties. As one of the major challenges for high performance PLA packaging at a large scale is the improvement of its gas barrier properties, the tailoring of the PLA microstructure. Crystallization is a method used to improve barrier properties but is not sufficient in the case of PLA. New strategies are actually studied to obtained stronger effects. One of them consists in the geometrical confinement of the polymer at the molecular scale using the layer-multiplying co-extrusion process combined eventually with annealing processes to create nanometric thickness layers.This technology is environmentally friendly and has already proved its efficiency to improve the gas barrier properties in case of other polymers. This study first proposes the development of PLA films with different structures crystalline with the aim of optimize the crystallization conditions to get better oxygen barrier properties. Among the different crystalline structures obtained, permeability was better when PLA was rapidly crystallized from glass to reach a high crystallinity degree and decoupling of the amorphous and crystalline phase. Then, PLLA was confined by two amorphous polymers, polystyrene and polycarbonate, and its crystals structure and amorphous mobility was changed. We showed that the confiner polymer could influence PLLA confinement, both in the crystalline phase and in the amorphous phase, thus influencing its permeability.

Afin de protéger les denrées alimentaires, l’industrie d’emballage enduit sur un film une couche très fine de polymère pour augmenter ses propriétés barrière aux gaz. Le problème majeur de ces enduits, généralement faits de poly (chlorure de vinylidène), vient de leur production de gaz toxiques à l’incinération. Les restrictions environnementales mondiales évoluent rapidement et sont de plus en plus strictes. De ce fait, des bioplastiques sont envisagés comme alternative. Dans ce contexte, l’objectif de la présente thèse est d'étudier le revêtement de films poly(téréphtalate d’éthylène) avec un polysaccharide, le chitosane. Ce dernier possède de bonnes propriétés barrières au gaz à sec. Cependant, son application dans l’emballage est limitée à cause de son caractère hydrophile. Le but de notre étude est donc d'améliorer les propriétés barrières à sec du chitosane par l’ajout de nano-charges d’argile et sa résistance à l’humidité par greffage de l’acide palmitique à la chaine du chitosane. L'efficacité d'incorporation de la vermiculite a été confirmée par DLS, DVS et DRX. Un facteur d'amélioration de la barrière (BiF) d’environ 100 pour l'hélium et de plus de 10 pour le dioxygène avec l'addition de 50% de vermiculite a été obtenu à sec. Le greffage de l’acide palmitique a été confirmé par spectroscopie IR-TF, ATG, DSC et RMN. Les résultats de mesures de la perméabilité hélium montrent une amélioration de facteur de la barrière (BIF) de 2 d’une couche de chitosane-g-acide palmitique et vermiculite à 60% en poids par rapport au PET non revêtu à 98% HR. / In order to protect food, the packaging industry performs a film coating with a very thin polymer layer to increase its gas barrier properties. The major problem of these coatings is that they are generally made of poly(vinylidene chloride) which leads to a toxic gas production during incineration. In view of the rapid change of the global environmental restrictions that become quite stringent, bioplastics seem promising alternatives. In this context, this thesis deals with a fundamental study of poly(ethylene terephthalate) films coated with a polysaccharide: chitosan. Chitosan offers good barrier properties in dry conditions. However, its application in the packaging is limited because of its hydrophilic character. Therefore, the main goal of our work is on one hand to enhance the dry barrier properties of the material through adding nanoclays and on the other hand to improve its resistance to moisture by incorporating palmitic acid by grafting it to the chitosane backbone. The incorporation efficiency of vermiculite was confirmed by DLS, DVS and XRD. A barrier improvement factor (BiF) of about 100 for helium and more than 10 for dioxygen with the addition of 50% vermiculite was obtained under dry conditions. The grafting of palmitic acid has been confirmed by FTIR spectroscopy, ATG, DSC and RMN. The results of helium permeability measurements showed an improvement of the barrier factor (BIF) of 2 in the case of a chitosan-grafted-palmitic acid layer with 60 weight% of vermiculite compared to the uncoated PET at 98% RH.

Les copolymères de PVDC possèdent des propriétés barrières à l'oxygène et à la vapeur d'eau qui en font un matériau de choix pour l'industrie de l'emballage alimentaire ou pharmaceutique. Les latex à base de PVDC (noté latex de PVDC) sont actuellement stabilisés par des tensioactifs de faibles masses molaires susceptibles de migrer dans le film après enduction et de dégrader ses propriétés. Le but de ce projet est donc la synthèse de latex de PVDC sans tensioactif en présence d'agents RAFT macromoléculaires (macroRAFT) hydrophiles qui jouent le rôle de stabilisants des particules tout en étant liés de manière covalente à celles-ci. La copolymérisation par RAFT du VDC a tout d'abord été étudié en milieu homogène. Des copolymères statistiques et des copolymères à blocs amphiphiles à base de VDC bien définis ont été synthétisés. Ensuite, des macroRAFT hydrophiles non ioniques et sensibles au pH, préformés en milieu organique, ont montré la possibilité d'obtenir des latex de PVDC où le bloc hydrophile stabilisant était lié de manière covalente aux particules. Enfin, un procédé intégralement dans l'eau a été mis au point avec des macroRAFT sensibles au pH ou chargés de manière permanente, synthétisés en milieu aqueux et utilisés directement dans la polymérisation en émulsion. Des latex stables de PVDC ont été obtenus à des taux de solide de 40 % à partir de faibles quantités de macroRAFT répondant ainsi aux exigences industrielles du projet. Les films formés à partir de ces latex auto-stabilisés sont transparents, ne blanchissent que très peu lors du contact avec l'eau, contrairement au film commercial de référence et ont montré des propriétés barrières supérieures / Since poly(vinylidene chloride) (PVDC)-based copolymers present unique oxygen and water vapor barrier properties, they are a material of choice for pharmaceutical blisters and food packaging. PVDC-based latexes used in coating applications are generally stabilized by low molecular weight surfactants, which are prone to migration in the film after coating and cause material degradation. The main goal of our project is the synthesis of surfactant-free PVDC-based latexes by using hydrophilic macromolecular RAFT agents (macroRAFT). The latter plays the role of precursor of stabilizer and limits migration phenomena by being covalently bound to particles. In a first part, RAFT polymerization of VDC was studied in homogenous solution. Well-defined statistical and amphiphilic blocks copolymers based on PVDC were synthesized. Then, PVDC-based latexes were obtained by emulsion polymerization mediated by hydrophilic non-ionic and pH sensitive macroRAFT pre-formed in organic solvent. Those hydrophilic segments were chemically anchored to the particles. A fully water-based process was developed by synthesizing in water pH sensitive and permanently charged hydrophilic macroRAFT which were further used directly in emulsion polymerization without additional purification. Stable PVDC-based latexes exhibiting solids content of 40 % were obtained using a very small quantity of macroRAFT, fulfilling the industrial requirements. Drying of self-stabilized latexes led to transparent films which display only a slight whitening after water exposition contrary to the commercial film reference and better barrier properties

Des films composites et nanocomposites ont été élaborés par la méthode du casting à partir d’amidon natif de manioc. Ils ont été plastifiés par le glycérol et renforcés par des chargesminérales synthétiques de zéolithe Beta et de beidellite sodique. L’influence du type de charge, de l’état de la charge (lyophilisé ou non-lyophilisé ou séchage à l’air) ainsi que du taux de charge sur les propriétés mécaniques et barrières à la vapeur d’eau des films correspondants a été étudiée. Les valeurs de la solubilité dans l’eau et de la perméabilité à la vapeur d’eau des échantillons renforcés par des nanocristaux de zéolithe Beta lyophilisés sont plus grandes que celles du film de contrôle. Une augmentation significative des propriétés mécaniques, en particulier le module d’Young de ces films a aussi été observée. Une amélioration de la perméabilité à la vapeur d’eau des films composites contenant des cristaux de beidellite sodique et des films nanocomposites contenant des nanocristaux de zéolithe Beta a été trouvée. Tous les films ont été caractérisés par diffraction de rayons X. / Composite and nanocomposite films were prepared by casting method, using native cassava starch. The films were plasticized with glycerol and reinforced with synthetic Beta zeolite nanocrystals and Na-beidellite crystals. We studied the effect of the filler contents and type on the mechanical and water barrier properties of the resulting films. We found that filmsreinforced with lyophilized Beta zeolite nanocrystals present both high water solubility (WS) and high water vapor permeability (WVP) values compared to those of the pristine film. A drastic increase of the mechanical properties, especially in the Young’s modulus, of these films was also observed. An improvement of the WVP was found for composites prepared from Na-beidellite crystals and for nanocomposites from non-lyophilized Beta zeolite nanocrystals. All the films were characterized by X-ray diffraction.

En raison de leurs nombreux avantages, les matériaux polymères sont aujourd'hui reconnus comme des éléments essentiels de notre quotidien. Ils composent une quantité importante d'objets de la vie courante dans lesquels ils ont souvent substitué les substances naturelles initialement utilisées. Néanmoins, pour une utilisation dans le domaine de l’emballage, ces matériaux présentent des contraintes non négligeables qui nécessitent une recherche permanente. L’amélioration et l’optimisation des propriétés d’imprimabilité, barrières aux gaz et de machinabilité représentent un enjeu crucial pour répondre aux nouvelles réglementations, législations mais aussi phénomènes sociétaux et exigences industrielles. La solution d'étude retenue ici est de traiter la surface de matériaux commerciaux. Les différents traitements plasma, relativement bien maitrisés sur ce type de matériaux, ont été combinés avec des procédés de fluoration, plus originaux. La fluoration directe est ainsi apparue comme une solution privilégiée du fait de son efficacité avérée sur ce type de matériaux. La maitrise des différents paramètres intrinsèques à chaque procédé a permis d’identifier l’unicité de chaque traitement et combinaison afin d’ajuster, non seulement la morphologie, mais surtout la composition de surface des films traités en fonction des propriétés ciblées. Des caractérisations spectroscopiques ont tout d’abord été mises en place pour identifier les mécanismes associés à chacun de ses traitements seuls ou combinés. La morphologie des surfaces a également été caractérisée par des techniques classiques de microscopie. Enfin, l’étude des propriétés résultantes et leur stabilité dans le temps ont permis de mettre en évidence l’intérêt de ces procédés pour améliorer les propriétés actuelles des films d’emballages et leur stabilité ; notamment leur imprimabilité, et leur comportement barrière aux gaz. / Currently, polymeric materials are currently well-recognized as essential elements of our daily life due to the advantages that they exhibit, in which they can replace the originally natural products. However, the use of these materials for packaging applications has still significant drawbacks. The interest of research on polymeric materials is potentially required in order to provide a good compromise of properties such as printability, gas barrier and machinability. Aims are to follow the new regulations, laws, but also societal phenomena and industrial phenomena.In this study, surface treatments were directly applied on material polymers dedicated to packaging applications. Plasma treatments, relatively well mastered, were combined with original fluorination processes. In comparison, direct fluorination was effectively used to increase polymer properties. Each treatment and their combination were carried out with various intrinsic parameters under control to adjust both surface morphology and surface composition of treated polymers according to targeted film properties.Spectroscopic characterizations were first monitored to identify the mechanisms associated with each treatment (alone or in combination). Surface morphology was also observed on standard microscopic techniques. The resulting properties and their long-termed stability were carried. These studies highlight the effectiveness of those treatments to improve the current properties of packaging films and stability: including printability, and barrier properties.

Des produits de consommation de première nécessité aux produits les plus fortuits, l'emballage, en particulier plastique, constitue aujourd'hui un élément indispensable de notre vie quotidienne. Son utilisation intensive dans le domaine agroalimentaire pour un usage unique à courte durée de vie incite aujourd'hui à s'orienter vers de nouveaux matériaux d'origine renouvelable et biodégradables, aux caractéristiques similaires que leurs homologues issus des ressources fossiles. Les mélanges à base de biopolymères et de biopolyesters peuvent être une bonne alternative. Dans ce présent travail de thèse, des mélanges de farine de blé, thermoplastifiée par du glycérol et de l'eau, et des polyesters biosourcés et biodégradables tels que le PLA et/ou le PHB ont été obtenus par extrusion bivis et moulés par injection thermoplastique. Les caractéristiques thermiques, thermomécaniques dynamiques, morphologiques, mécaniques et barrières de ces nouveaux matériaux ont été étudiés. De l'acide citrique a été utilisé comme agent de compatibilisant pour améliorer l'interface amidon/PLA. Les différentes investigations nous ont permis de mettre au point différents types de formulations aux caractéristiques mécaniques et barrières à la vapeur d'eau intéressantes pour la fabrication de corps de barquettes d'emballage alimentaire de denrées périssables comme la viande ou les fromages. L'aptitude au contact alimentaire des matériaux farine thermoplastifiée/polyester et l'impact de l'incorporation des polyesters sur la biodégradabilité de ces matériaux ont également été étudiés. / From basic and essential to unnecessary and optional consumer products, packaging, particularly plastic, is today an indispensable part of our daily life. Its extensive use in the food industry for a single use and for a short shelf-life encourages us today to move towards new renewable and biodegradable materials with similar characteristics than their counterparts from fossil resources. Biopolymers and biopolyesters blends can be a good alternative. Within the framework of this present work, wheat flour, thermoplasticised by glycerol and water, and biobased and biodegradable polyesters such as PLA and/or PHB, were blended using an industrial twin screw extruder and were injection-molded into thermoplastic materials. Thermal, dynamic thermomechanical, morphological, mechanical and barriers properties of these new materials were studied. Citric acid was used as a compatibilizer to improve the interface starch/PLA. The different investigations have allowed us to develop various types of formulations, with mechanical characteristics and barrier properties to water vapor, very attractive for manufacturing plastic food packaging which can be used for meats or cheeses. Food contact suitability and biodegradability of thermoplasticised wheat flour/polyester materials have also studied.

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