Industrie de l'emballage : Du papier couché au plasma pour remplacer le plastique
Les déchets plastiques nuisibles à l'environnement n'ont cessé d'augmenter en Allemagne au cours des dernières années. Les emballages sont particulièrement responsables de ces déchets. Des revêtements à base de substances végétales pour les emballages en papier pourraient à l'avenir assurer un remplacement durable. Dans le cadre du projet BioPlas4Paper, des chercheurs du Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST ont pu, en collaboration avec des partenaires et à l'aide d'un procédé de revêtement, la polymérisation plasma, créer des couches barrières hydrofuges sur le papier à base de substances végétales et améliorer ainsi la résistance du matériau aux intempéries.
Les chercheurs du Fraunhofer IST utilisent des huiles végétales pour rendre le papier hydrofuge
© Fraunhofer IST using Adobe Firefly
Les emballages en plastique continuent de poser un problème majeur pour l'environnement. Le papier, quant à lui, est composé de matières premières renouvelables et présente l'avantage, par rapport au plastique à base de pétrole, de se décomposer et de ne pas rester dans le sol pendant de nombreuses années. Mais le papier non couché ne constitue pas une barrière contre l'humidité ou l'oxygène. Il est sensible à la température, réagit à l'humidité et aux bactéries et se caractérise par des surfaces irrégulières. Afin d'exploiter pleinement le potentiel de ce matériau, d'améliorer les possibilités de recyclage, de remplacer les emballages en plastique et d'ouvrir de nouveaux champs d'application, il faut améliorer la durée de vie, la résistance et la qualité des produits en papier. C'est à cette tâche que se consacrent les chercheurs du Fraunhofer IST, en étroite collaboration avec l'Université technique de Darmstadt et l'Institut Thünen pour la recherche sur le bois, dans le cadre du projet BioPlas4Paper. Pour créer des couches homogènes et résistantes à l'humidité sur le papier, les partenaires du projet misent sur des substances végétales comme l'huile d'origan ou de chia ainsi que sur des substances extraites de l'écorce. Ces substances végétales se distinguent entre autres par leur effet antibactérien.
Les polymères plasmatiques biosourcés se réticulent avec la surface du papier
"Nous utilisons des substances végétales jusqu'à présent inexploitées et présentant une forte proportion d'acides gras insaturés pour rendre le papier hydrophobe, c'est-à-dire repoussant l'eau. Pour ce faire, nous utilisons la technologie plasma à pression atmosphérique, dans laquelle le gaz est excité à l'aide d'une haute tension sous pression ambiante de telle sorte qu'un plasma, c'est-à-dire un mélange de particules composé d'ions, d'électrons libres et généralement aussi d'atomes ou de molécules neutres, s'allume. Il se produit une décharge entre les électrodes", explique Martin Bellmann, scientifique au Fraunhofer IST de Braunschweig. Les substances végétales sont transformées en aérosol par l'ajout d'azote et introduites dans le plasma sous forme de composés précurseurs organiques vaporisés, afin de pouvoir former des réseaux de polymères. Les experts désignent ce processus, au cours duquel les composés précurseurs sont activés par un plasma, par le terme de polymérisation plasma. Les particules de taille micrométrique se lient entre elles pour former des polymères plasma, mais les minuscules gouttelettes se réticulent également avec le papier et se déposent en surface sur le substrat rugueux du papier, en pénétrant profondément dans les pores et les fibres de la surface. "Ce n'est que grâce à l'utilisation du plasma que les molécules végétales deviennent réactives et se réticulent en polymères", explique le chercheur.
Un concept de source de plasma innovant
Le plasma est généré au moyen d'une source de plasma par l'ionisation de gaz entre deux électrodes à symétrie de révolution auxquelles on applique une haute tension. La nouveauté réside dans la disposition géométrique des électrodes, ainsi que dans la manière dont l'aérosol est introduit et dont le plasma est allumé. La combinaison de ces mesures donne un concept innovant que les chercheurs ont développé spécialement pour le projet, de sorte que sous pression atmosphérique, les influences de l'air ambiant sont réduites au minimum, même à des vitesses de revêtement plus élevées, tout en garantissant des résultats constants et reproductibles. "En raison de la rugosité de la surface du papier, l'air ambiant tourbillonne à des vitesses de traitement élevées, ce qui modifie les propriétés du plasma. Nous pouvons éviter ces influences néfastes grâce à notre concept", explique Bellmann. La source de plasma est amenée à proximité de la surface du papier et chasse ainsi complètement l'air ambiant. Pour ne pas nuire au papier lui-même, aux molécules précurseurs biosourcées et aux propriétés des polymères plasma produits, les chercheurs travaillent avec des températures de plasma d'environ 70 degrés.
Des couches hydrofuges grâce à l'huile d'olive
Dans le cadre de nombreux tests réalisés avec une large palette d'huiles végétales et de substances extraites, les chercheurs ont pu démontrer que les substances biosourcées pouvaient être déposées ou séparées de manière reproductible et homogène au moyen du plasma. De très bonnes couches hydrophobes ont pu être obtenues avec l'huile d'olive et l'huile de chia, par exemple. En fonction des composés précurseurs utilisés et des paramètres de revêtement, les chercheurs peuvent influencer et optimiser les couches. L'objectif est d'équiper le matériau papier pour des scénarios d'utilisation de plus en plus exigeants et de remplacer ainsi à l'avenir les matériaux plastiques. "Les cartons de déménagement en sont un exemple d'application : grâce à nos couches hydrophobes, ils peuvent être exposés plus longtemps à la pluie sans se ramollir. "Notre objectif est de réduire la dépendance aux ressources fossiles et de soutenir la transition vers une économie efficace en termes de ressources", explique Bellmann.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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