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LES MATERIAUX

D’EMBALLAGES

Thibaut CAGNONThibaut CAGNON

UMR 1208 Ingénierie des Agro-polymères et Technologies Emergentese-mail: thibaut.cagnon@hotmail.fr

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•Introduction / Propriétés Importantes

•Les différents types de Matériaux d’Emballage:- Plastiques- Métaux- Verres- Bois (Papiers/Cartons)

•Composites

•Méthodes de Caractérisation

•Choix du Matériaux

•Cycle de vie d’un Emballage

•Tendances Futures

Plan

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- Bois - Produits de luxe, palettes, cagettes

- Papier et carton - Économique, recyclable

- Verre - Produits de qualité, tradition, recyclable

- Métaux - Acier, aluminium, appertisation, bouchage, recyclable

- Matières plastiques - 20% en volume des ordures ménagères (recyclable ?)

- Matériaux composites - Protection, fonction, attractifs, (recyclable ?)

Matériaux d'emballages

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Propriétés des Matériaux

Mécanique:

•Rigidité: Module de Young « E » (Pa)

•Domaine d’élasticité

•Allongement à la rupture (%)

•Résistance aux chocs, Tests Charpy et Izod, (kJ/m²)

•Dureté (Tests Rockwell, Vickers, Brinnel)

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Thermiques:

•Température de ramollissement•Température de transition fragile/ductile•Température de fusion

Optiques:

•Transparence (Coefficient Haze)•Transmission des UV

De Surface:

•Rugosité/Texture•Esthétique (Couleur, etc…)

Barrières:

•Perméabilité aux Gazs (g/m²/j)•Perméabilité à l’eau (g/m²/j)

Résistance à long terme:

•Vieillissement•Résistance à la fatigue•Usure

Autres:

•Résistance au feu•Résistance chimique

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PLASTIQUES

*Plastiques ou polymères

*Polymères: « Pollus » « Meros »� Plusieurs parties

*Macromolécule constituée d’une répétition de motifs appelés Monomères

*Science récente: PS découvert en 1839, première utilisation pratique en 1930

*Utilisation massive des plastiques à partir des années 1960

*Peuvent être naturels ou de synthèse

*Immense gamme de propriétés (et donc d’utilisations et de moyens de mise en forme)

*Une question majeure: leur impact sur la santé et l’environnement

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Histoire:

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Avantages des Plastiques:

• Légers– Faciles à utiliser et à transporter

• Résistants

• Peu chers– Production de masse, produits jetables…

• Design Flexible– Sur mesure possible, nombreux mode de mise en forme

• Non sujets à la rouille

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Les 3 grands types de plastiques:

Les thermoplastiques: Polymères susceptibles d'être, de manière répétée, ramollis par chauffage et durcis par refroidissement.

Les thermodurcissables:Polymère ne pouvant être mis en œuvre qu'une seule fois et qui devient infusible et insoluble après polymérisation. Une fois durci, leur forme ne peut plus être modifiée.

Les élastomères:Polymères ayant une aptitude particulière à reprendre leur forme après une forte déformation.

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Les familles de plastiques:

Il existe un large choix de matériaux plastiques. Ils peuvent être utilisés en

différentes épaisseurs (de 10 µm à 1 mm) et en combinaison (multicouches).

Terminologie :

-les polyoléfines : Polyéthylène (PE), Polypropylène (PP)

- les vinyliques : Polychlorure de vinyl(PVC)

- les styréniques : Polystyrène (PS)

- les acryliques : Polyacrylonitrile(PAN)

- les polyamides : (PA) Nylon 6,6

- les polyesters : Polyéthylène téréphtalate (PET)

- les polycarbonates : (PC)

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ESTERSESTERSESTERSESTERS

POLYMERSPOLYMERSPOLYMERSPOLYMERS

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POLYOLEFINESPOLYOLEFINESPOLYOLEFINESPOLYOLEFINES

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POLYOLEFINESPOLYOLEFINESPOLYOLEFINESPOLYOLEFINES

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VINYLVINYLVINYLVINYL

STYRENSTYRENSTYRENSTYREN

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AMIDESAMIDESAMIDESAMIDES

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POLYCARBONATE (BISPHENOL A)POLYCARBONATE (BISPHENOL A)POLYCARBONATE (BISPHENOL A)POLYCARBONATE (BISPHENOL A)

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ADDITIVESADDITIVESADDITIVESADDITIVES

Produit ajoutés au polymère avant la mise en forme afin de faciliter celle-ci (catalyseur, lubrifiant…)ou de conférer au produit final de meilleures propriétés (Anti UV, Nano charges,…)

Apportent un plus, mais doivent être utilisés avec précaution, surtout dans le domaine de l’emballage qui implique un contact alimentaire.

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EXAMPLE OF ADDITIVE: UV STABILIZEREXAMPLE OF ADDITIVE: UV STABILIZEREXAMPLE OF ADDITIVE: UV STABILIZEREXAMPLE OF ADDITIVE: UV STABILIZER

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NANOMATERIALSNANOMATERIALSNANOMATERIALSNANOMATERIALS

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MULTILAYER MATERIALS (MULTILAYER MATERIALS (MULTILAYER MATERIALS (MULTILAYER MATERIALS (PolymerPolymerPolymerPolymer Composites)Composites)Composites)Composites)

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CaractCaractééristiques spristiques spééciales des emballages plastiquesciales des emballages plastiques::

o Thermique: Présentent une température de transition vitreuse Tg au-delà de

laquelle leurs propriétés mécaniques changent (passage d’un état vitreux à un

état caoutchoutique) ainsi qu’une température de fusion Tm (si cristallins).

o Cristallinité: Affecte les propriétés mécaniques et optiques. (La plupart des

polymères sont semi cristallins)

o Mécanique: Courbe de déformation en traction différente due à une

réorganisation des chaines entre elles après le phénomène de striction. Les

propriétés méca d’un polymère dépendent également de son taux de cristallinité.

o Propriétés modifiables par ajout d’additifs

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ThermiqueThermique

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MM éécaniquecanique

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Mise en forme des polymères :

Extrusion (tubes/films)

Soufflage

Injection moulage Casting

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Note: Le mode de mise en forme dépend de la viscositédu polymère et de l’objet qu’on souhaite façonner.

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Propriétés des principaux plastiques utilisés comme emballage (1/2) :

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Propriétés des principaux plastiques utilisés comme emballage (2/2) :

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Utilisation du verre : types d’emballage

Verrerie de ménage 35 %Bouteilles 17 %Flaconnage 17 %Pots et bocaux 7 %Divers 24 %

Emballage verre : présent sur tous les marchés alimentaires Vin 30 %Bière 23 %Spiritueux 13%Alimentaire 21 %Boissons (sans alcool) 8 %Divers 5 %

(Source : BSN GLASSPACK, 2002)

VERRES

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Avantages du verre :

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Propriétés particulières des emballages en verre :

o Propriétés mécaniques :+ résistance à la rupture + résistance à la pression (interne et externe)- résistance aux chocs

o Propriétés barrières :+ aux gaz et à l’eau

o Propriétés optiques :+ protection contre les UV

o Propriétés de surface :* matériau lisse

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Méthodes de caractérisation du verre

(1/2)

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Méthodes de caractérisation du verre

(2/2)

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Types de métaux utilisés : aciers (fer blanc, fer noir, alliages) et aluminium.

Marchés : conserves appertisées 62 %boissons 10 %autres 28 %

Fer blanc Aluminium

METAUX

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Avantages des métaux :

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Propriétés des métaux :

23.7 10-612.3 10-6Coefficient de dilation thermique (K-1)

102 10-321.8 10-3Diffusivité thermique

(m²/s)

24271Conductivité thermique

(W/mK)

71 000204 000Module d’élasticité

(MPa)

6581535Température de fusion

(°C)

2.77.8Densité

AluminiumFERPropriété

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Bandes pour boîtage (canettes) :PolyvalentInertie chimique et stabilitéEffet barrière (préservation)100 % recyclable

Bandes pour emballage flexible :Mêmes propriétés que canettesLégerSouple (ouverture facile)Possibilité de fermetureImpression

Aluminium : 2 exemples d’application

(Source : Péchiney, 2002)

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Mise en forme des métaux :

Les métaux sont produits en grande quantités sous formes de feuilles (en rouleau), de profilés ou de câbles. Le plus souvent selon le procédé dit de « coulée continue » pour les produits qui nous intéressent

On les travaille ensuite par des procédés de mise en forme à chaud ou à froid pour leur donner la forme souhaitée.

Il s’agit souvent de découpe, de pliage, d’emboutissage et de soudure.

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Le problème de la corrosion :Les métaux sont sujets à la corrosion dans certaines conditions (T°, P, Humidité).

La corrosion est une réaction d’oxydo-réduction qui va progressivement détruire le métal.

Plusieurs types de corrosion:

*De surface: Visible et prévisible

*En crevasse: Dans les coins et angles (rapide)

*Par Piqure: Invisible jusqu’à la rupture

Solutions contre la corrosion:

*Utiliser des métaux inertes (cf « séries galvaniques »)

*Protéger le métal avec une couche protectrice non sensible à la corrosion

*Recourir à la passivation

*Utiliser une anode sacrificielle

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• Lignine– Matière plastique naturelle (C, H et O)– Soluble à chaud (solutions alcalines)– Réagit avec la lumière (instable car non saturée)

• Hemicelluloses– Même structure mais plus courte– Très hydrophiles et adhésives– Facilement soluble (soude)

Extractifs

Cellulose

HemicelluloseLignine

Résineux

Les composants:

BOIS

Matière première des papiers et cartons

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- Déchets de scierie (34%)

- Houppiers (cimes des

arbres destinés à la

menuiserie) (34%)

- Rondins des premières

éclaircies (32%)

Usines papetières françaises ne consomment que les sous-produitsdes autres

activités liées au bois

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Facturation /

produit

(millions euros)

5%

23%

20%

11%

57%

5 318

Sacs en papier

Cartonnagesliquides alimentaires

Cartonnagespliants

Cartonnagedivers

Boîtes et caisses en carton ondulé

Total

Qntés livrées

(milliers tonnes)

124

117

532

223

2984

3 980

(Données SESSI - 2001)

%

3%

3%

13%

6%

75%

100%

Production / type d'emballage

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PÂTES À PAPIER

Cartons plats Cartons complexes

Papiers d'emballage

Papiers pour ondulé

Cartons ondulés

Caisses calages

Sacs petite et grande

contenanceÉtuis, fûts, barquettes

Cellulose moulée

Fibres Cellulosiques de Récupération

Bouchons

BOIS

Palettes et caisses-palettes

Emballages légers pour fruits et légumes

Films en cellulose régénérée et dérivés

Tonneaux

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Process et Machine à papier:

Déchets de scierie

Plaquettes

Préparation PTM

Rondins

Ecorcage

Préparation PM

Blanchiment

Pulper

Machine à papier

Raffinage

Pigments de charge

Préparation PC

BOIS

PATE

Remarque :

PTM = Pâte ThermoMécanique

PM = Pâte Mécanique

PC = Pâte Chimique

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Fabrication du papier

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• Traitement de surface (cirage / peinture) :• propriétés optiques

• caractéristiques d'imprimabilité.

• Dispositifs d'enduction :• coucheuses à lames / shordwell

Couchage:

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= Pour améliorer l'imprimabilité, brillance, toucher, opacité

= Vitesse - 400 m/min (coucheuse à barre rotative)

- 1500 m/min (coucheuse à lame métallique)

Traitements de couchage

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• La formulation de la sauce de couchage ?– Liants– Eau

– Pigments

– Minéraux– Additifs

• Dépose LWC– entre 9 et 15g/m² /face

ADDITIFS

EAU

PIGMENTS

MELANGE

LIANTS

MACHINE

MINERAUX

Sauce de couchage:

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Ex: Tétrapack(5 couches : combinaison de carton, PE, aluminium) :

Les fonctions respectives :

*carton = structure, stabilité de l’emballage

*PE = rôle fonctionnel (protège le produit, sert de lien)

*aluminium = barrière à la lumière et à l’air

Composites Multi-Matériaux

� Matériau combinant plusieurs autres matériaux afin de bénéficier de leurs propriétés

Deux types:

•Matrice + Renforts

•Multicouches

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Il existe une grande variété de matériaux d’emballages, offrant des possibilités

d’utilisation très diversifiées. Pour le conditionnement d’un produit alimentaire,

tout entrepreneur doit prendre en compte les propriétés et caractéristiquesdes

matériaux d’emballage et connaître leurs atouts et limitespar rapport au produit.

Les essais, analyses et mesures mis en œuvre pour la caractérisation des

matériaux et des emballages conduisent àquantifier leurs caractéristiqueset

leurs propriétés, i.e. caractéristiques physiques ou dimensionnelles, propriétés

mécaniques, barrières ou optiques.

Méthodes de caractérisation des matériaux d’emballage

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Les essais, analyses et mesures sont réalisés selon le cas :

� Pour décrire le matériau d’emballage, en vue d’établir la

spécification technique du cahier des charges d’achat ;

� Pour contrôler la conformité du matériau d’emballage à la

spécification technique, à une norme, à une réglementation ;

� Pour comparer deux matériaux ou deux emballages.

Les méthodes et techniques de caractérisation sont nombreuses. On peut ainsi déterminer

les caractéristiques et propriétés :

- mécaniques (traction, choc, etc.)

- thermiques (DSC, TGA)

- rhéologiques (MFI, rhéomètre)

- de surface (mouillabilité, frottement)

- barrières (eau, gaz)

- autres (optiques, structure, etc.)

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Exemples d’essais et d’analyses:

Emballages plastiques:- mesure des viscosités- recherche des plastifiants (phtalates, adipates, etc.)- dosage des monomères résiduels (isocyanates, styrène, etc.)- dosage du cadmium (colorants, stabilisants)

Emballages papier-carton- recherche de polluants (PCP, PCB, etc.)

Emballages métalliques:- détermination de la composition chimique et recherche des impuretés- détermination des propriétés physiques (rugosité, dureté, etc)- caractéristiques des revêtements métalliques- migrations spécifiques pour surfaces chromées ou argentées

(Source : LNE, 2002)

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•A faire à partir du cahier des charges

•Choisir le matériau dont les propriétés y répondent le mieux

•Vérifier que ce matériau peut être mis en forme de la façon souhaitée

•Ne pas négliger l’aspect économique

Choix des emballages et applications

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Chaque type de matériau d’emballage présente des caractéristiques propres qui

justifient son utilisation pour une ou plusieurs catégories d’aliments. Le choix de

l’emballage se fera sur la base de ses caractéristiques précises.

Mais le domaine de l’emballage est aussi en constante innovation. Par exemple,

depuis 2 ans, le PET commence à remplacer le verre pour les bouteilles de bière:

Match Verre vs. Plastique :

Bouteille kronenbourg en PET (Akrobate PET) :

+ incassable (anti-choc)

+ poids

+ coût

- DLUO de 6 mois

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Recyclagedes matériaux

Fabricationde l'aliment

TransportManutention

Stockage

Utilisationdu produit

Eliminationde l'emballage

Recyclagedes emballages

Incinération

Déchargepublique

Matériauxd'emballage

Fabricationde l'emballage

Collecte ettri sélectif

Conditionnementdu produit

Agro-Alimentaire

La vie des emballages

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Emballage actif: incorporation dans l’emballage d’une substance (i.e., un agent

de conservation) qui remplit un rôle actif dans la protection de l’aliment ;

Emballage biodégradable: Utilisation d’agropolymères (amidon, protéines) ou

de biopolymères (PHBV, PEA, PLA) pour des produits de courte durée de vie.

Tendances Futures

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Polymères naturelsPolyesters ou protéines (collagène, gélatine, caséine) Elastomères naturelsPolysaccharides (amidon et cellulose)

Polymères issus de la biotechnologiePolyhydroxyalcanoates (PHB et PHV)

Polymères d’origine naturelleIssus de l’amidon ou de la cellulosePLA (acide polylactique Cargill Dow) Gluten de Blé

Polymères synthétiquesPolyester et copolyesterPCL (polycaprolactone), Ecoflex (BASF) Eastar Bio (Eastman),Bionol (Showa Denko)

Les composites (naturels + synthétiques)Amidon – PCL

Bouteille en PLAse dégrade après 80

jours d’enfouissement

Les emballages compostables et biodégradables:

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Les matériaux d’emballage possèdent des propriétés et caractéristiques

différentes permettant de répondre au cahier des charges global de l’emballage

alimentaire. Ces matériaux sont fréquemment combinés entre eux pour obtenir

d’autres spécifications (composites, multicouches).

Au delà des caractéristiques technologiques requises de l’emballage, il est impératif de

prendre en considération les critères suivant :

• critères économiques/coûts

• critères marketing (l’emballage qui vend !)

• critères législatif (garantir l’innocuité du produit alimentaire)

• critères environnementaux (énergie, rejet, recyclage).

Conclusion