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RÉSUMÉ
Les besoins en matériaux barrières aux gaz vont croissants dans le domaine de l’emballage. Les contraintes de recyclage, de marketing, de poids et de coût, amènent au développement de solutions innovantes pour remplacer les emballages en verre ou métal. Les solutions sont multiples et doivent répondre avant tout à un cahier des charges aussi diversifié que les applications possibles afin de minimiser le « coût barrière ». Parmi les emballages barrière à base polymère, la solution multicouche reste la plus employée.
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Stéphane CROS : Ingénieur de Recherche à l’Institut national de l’Énergie solaire - Laboratoire des Composants systèmes, CEA/ DRT/ LITEN
INTRODUCTION
Les besoins en matériaux barrières aux gaz, essentiellement l’eau et l’oxygène, vont croissants dans le domaine de l’emballage ou de la protection du contenant en général (figure en fin d’introduction). Ce processus est lié à l’augmentation de la demande dans des domaines aussi divers que l’alimentaire, le packaging médical ou encore l’optoélectronique.
Les contraintes de recyclage, de marketing (transparence), de poids et de coût, amènent au développement de solutions innovantes visant à remplacer les emballages en verre ou métal aux capacités barrières très élevées.
Si les technologies utilisées sont multiples, de la voie multicouche à celle du dépôt plasma, de l’insertion de scavengers à celle de nanocharges, du mélange polymère au dépôt polymère, celles‐ci doivent répondre avant tout à un cahier des charges aussi diversifié que les applications possibles (figure ci-dessous et tableau en fin d’introduction) afin de minimiser le « coût barrière ».
En terme d’emballage barrière à base polymère, la solution multicouche reste la plus employée. Toutefois, les exigences de domaines comme celui de l’embouteillage à base PET (polyéthylènetéréphtalate), ont permis le développement commercial de techniques comme le dépôt de surface, largement utilisé aujourd’hui (dernier tableau).
D’autres technologies, telles que l’insertion de scavengers, les nanocomposites ou encore les mélanges polymères sont également sur une rampe ascendante.
Ce document, bien que traitant de l’emballage barrière, s’attardera peu sur les résines barrières et les structures multicouches, déjà décrites dans d’autres articles des Techniques de l’Ingénieur, mais apportera un complément d’information et une vue globale des technologies barrières.
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1. Perméabilité des matériaux
1.1 Théorie
À une température donnée, le transport d’une molécule de gaz au travers une membrane homogène (non poreuse) peut être décrit sous la forme d’un processus en 3 étapes (si l’on néglige la formation de couches limites) :
-
condensation et solution du pénétrant sur la face correspondant à la plus haute pression partielle du gaz considéré (face amont) ;
-
diffusion du gaz au travers de la membrane polymère, du fait du gradient de concentration (potentiel chimique) ;
-
évaporation du côté aval.
Ainsi, la perméabilité P au gaz considéré est le produit d’un paramètre cinétique, le coefficient de diffusion D (m2 · s–1), et d’un paramètre thermodynamique, la solubilité S (
) :
Pour une pression partielle p 1 d’une espèce au sein d’un gaz (figure 2), une concentration C 1 s’établit à la surface amont en fonction du coefficient de solubilité de l’espèce considérée dans le matériau (loi de Henry) :
De la même façon, une pression p 2 s’établit à la surface aval de l’échantillon.
La diffusion est le processus par lequel une petite molécule est transférée dans le système du fait de mouvements moléculaires aléatoires. Il s’agit d’un terme cinétique exprimant la mobilité du perméant.
Ces phénomènes sont décrits au...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CRANK (J.), PARK (G.S.) - Diffusion in polymers. - Academic Press, London and New-York (1968).
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(2) - FIRON (M.), TROUSLARD (P.), CROS (S.) - * - CEA/DRT/LITEN/LCS, Dépôt de brevet français no 06/01320.
-
(3) - BURROWS (P.E.), GRAFF (G.L.) et al - Displays. - 22, 65 (2001).
-
(4) - CROS (S.), FIRON (M.), LENFANT (S.), TROUSLARD (P.), BECK (L.B.) - * - NIM B 251, 257-260 (2006).
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(5) - BUJAS, ROKO (S.) - General Atomic. - Brevet USA 6804989.
-
(6) - HIGGINS (L.M.) - * - III, Ph. D., H3MA Consulting, LLC, Austin, Texas USA, Advancing microelectronics, Volume 30, No 4 (2003).
-
(7)...
ANNEXES
(liste non exhaustive)
HAUT DE PAGE
Kuraray au sujet du SEPTONÒ http://septon.info/en/septon/list/pmc.html http://www.kuraray.de/division4/septon.html
DuPont http://www.dupont.com/industrial-polymers/plastics/functions/ com_blends.html
DuPont sur les polymères recyclés http://www.dupont.com/industrial-polymers/plastics/functions/com_recycle.html
Groupe Total (Atofina est devenu Arkema) http://www.total.com/fr/group/activities/chemicals/?IdMarque=232
Mitsui Chemicals America Inc. au sujet de ADMERÒ http://www.mitsuichemicals.com/adm_cha.htm
JSR Corporation au sujet des TPE (Thermoplastic Elastomer) https://www.jsr.co.jp/jsr_e/products/tpe/...
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