Mise en forme de polymères multi-micro-nanocouches par un procédé innovant de coextrusion gonflage/ matériaux aux propriétés barrières et optiques améliorées, éco-conçus pour une meilleure recyclabilité

Doctorant : Lazaros VOZIKIS

Laboratoire INSA : IMP - Ingénierie des Matériaux Polymères

École doctorale : ED34 - Matériaux

Ce travail de recherche a été mené dans le cadre du projet Thèse CIFRE en collaboration avec le CT-IPC. Le projet se concentre sur le développement et la validation d'une technologie innovante de filière gonflage qui comble une lacune critique dans la littérature. Bien qu'il existe déjà un grand nombre de recherches sur la coextrusion à plat, la coextrusion gonflage reste sous-explorée. Obtenir des épaisseurs de couche de l'échelle micro au nano, tout en maintenant l'intégrité des couches, s'est avéré particulièrement difficile. L'objectif de ce travail est la conception d'une filière de coextrusion gonflage capable de produire des films, avec des propriétés barrières et optiques améliorées, tout en améliorant leur recyclabilité, ce qui présente un défi majeur dans le domaine des matériaux d'emballage. Contrairement aux systèmes conventionnels, la nouvelle filière développée dans ce travail permet la création de films à un nombre de couches élevé, garantissant l'intégrité des couches même à l'échelle micro-nano. Une autre avancée de cette filière est sa capacité à augmenter le nombre de couches sans prolonger le temps de séjour dans le procède car elle ne nécessite pas l'addition d'un élément multiplicateur supplémentaire. Le risque de dégradation thermique peut ainsi être minimisé. La nouvelle technologie de filière peut facilement être combinée avec les configurations de coextrusion à plat, ce qui la rend très polyvalente. Ces innovations permettent non seulement la production de films avec des centaines ou milliers de couches, mais améliorent également la stabilité du processus. Un élément clé de cette étude a consisté à démontrer qu'en utilisant la coextrusion à assemblage forcé avec la nouvelle filière de gonflage, les performances barrière des films multicouches pouvaient être considérablement améliorées sans augmenter la quantité d'éthylène-alcool vinylique (EVOH). Bien que cette stratégie ait été largement étudiée et validée dans les procédés de coextrusion à plat, son application à la coextrusion gonflage est limitée. De plus, le besoin des liants pour assurer l'adhésion entre les couches est éliminé, ce qui améliore encore la recyclabilité des films. Ceci est particulièrement important pour l'économie circulaire, car cela simplifie le processus de recyclage en réduisant la complexité des matériaux. Cette recherche a également abordé la question critique de la stabilité du processus en développant des cartes de stabilité et en effectuant des analyses rhéologiques approfondies. Les premières étapes ont consisté à évaluer la stabilité de l'écoulement par coextrusion à plat, où les défis sont souvent aggravés lors de la coextrusion de polymères ayant des propriétés rhéologiques différentes. Après l'évaluation de la fenêtre de processabilité par coextrusion à plat, la présente étude fournit une analyse complète des paramètres requis pour assurer la stabilité lors de la coextrusion gonflage. Les paramètres critiques tels que le taux de gonflage (BUR) et le taux de tirage (TUR) jouent un rôle crucial dans l'obtention de films multicouches stables et sans défaut. Des cartes de stabilité ont été développées pour définir la processabilité et, en association avec l'analyse rhéologique, des fenêtres de processabilité optimales ont été déterminées. En résumé, cette thèse présente une étude approfondie de la conception, du développement et d'élaboration des films multicouches par une nouvelle technologie de filière gonflage. La capacité de produire des couches à l'échelle micro-nano avec une stabilité améliorée, des propriétés barrières et optiques améliorées et une meilleure recyclabilité représente une avancée significative dans la technologie des films multicouches. En se concentrant sur la réduction des coûts des matériaux et l'amélioration de la recyclabilité, le présent travail ouvre la voie à des matériaux d'emballage de nouvelle génération plus efficaces et plus respectueux de l'environnement.

Pauline Cusseau est diplômée de l'école CPE-Lyon en chimie-génie des procédés avec une spécialité en formulation. Elle est actuellement en 3^e année de doctorat sous convention CIFRE conjointement au sein de l’équipe Tribologie Mécanique des Interfaces du LaMCoS de l’INSA Lyon (direction de thèse Philippe Vergne et David Philippon) et de l’entreprise TOTAL M&S, un des leaders mondiaux du secteur pétrolier et de l’energie.

Au cours du 43^e Leeds-Lyon Symposium, qui s’est déroulé à Leeds (UK) du 6 au 9 septembre 2016, Pauline CUSSEAU a reçu le 3^e prix pour la présentation de son poster intitulé « An improved model for describing the high-pressure high shear stress behaviour of engine lubricant ».

Entretien.

Que ressentez-vous à la réception de ce prix ?
Je suis reconnaissante de voir notre travail apprécié et jugé pertinent. C’est également une motivation supplémentaire pour la poursuite de mes travaux de thèse, surtout que j’entame ma dernière année.

Sur quoi portent vos travaux de recherche ?
Mes travaux de recherche portent sur l’étude de lubrifiants moteurs, et plus particulièrement sur un type d’additif appelé « améliorant d’indice de viscosité ». Ces additifs sont utilisés pour changer la dépendance de la viscosité du lubrifiant en fonction de la température. Cela permet de maintenir un film lubrifiant satisfaisant au sein d’un moteur en fonctionnement. Les pertes par frottements sont alors limitées et permettent des économies de carburant. L’objectif final est de comprendre et prévoir le comportement de tels additifs une fois en solution, en liant leurs propriétés physico-chimiques aux propriétés rhéologiques et tribologiques.

Comment travaillez-vous avec l’entreprise TOTAL M&S ?
Je travaille principalement en milieu universitaire, au sein de l’équipe TMI du LaMCoS. Des réunions ont lieu régulièrement avec TOTAL M&S pour suivre l’avancement des recherches et orienter les travaux. TOTAL M&S nous fournit également les solutions et nous aide pour leurs analyses thermiques et structurelles.

Quel regard portez-vous sur la recherche et le travail de thèse ?
La recherche est un milieu que j'ai pu découvrir grâce à ma thèse. Ce travail nécessite beaucoup de curiosité et d'ouverture d'esprit. Il faut rester critique sur nos résultats, nos observations et toujours garder à l'esprit que nos connaissances peuvent être remises en question par de nouvelles découvertes. C'est également un travail exigeant car obtenir des résultats demande parfois beaucoup de temps. C'est un milieu dans lequel j'aimerais évoluer, peut-être plus en milieu industriel qu'universitaire.

Légende photo : Duncan Dowson, Pr. Emérite de l’Université de Leeds, remet le prix à Pauline Cusseau.