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Le confinement des polymères par le procédé de co-extrusion nanocouches

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Le 22 mars, Plastiwin a participé à une journée « AXE » organisée par le Pôle français ELASTOPOLE. Parmi les différentes thématiques exposées l'amélioration de l'effet barrière apportée aux matériaux d'emballage nous a impressionnés...

Voici quelques extraits de l'exposé d'Alain Guinault ingénieur de recherche au laboratoire PIMM, UMR 8006 ENSAM-CNRS-CNAM, Paris. Alain.guinault@cnam.fr

Qu'est-ce que le procédé de co-extrusion multi-nanocouches ?

nanocouchesLe procédé de co-extrusion multi-nanocouches représente une innovation récente du procédé de co-extrusion classique, il consiste à combiner deux polymères (ou plus) sous forme de couches alternées. Ce procédé classique, qui permet de combiner les propriétés de plusieurs polymères, existe depuis longtemps, en particulier dans l'industrie de l'emballage alimentaire : un film alimentaire est composé de cinq à dix couches, où l'on combine des polymères barrières à l'oxygène avec d'autres polymères barrières à la vapeur d'eau ou conférant à moindre coût une tenue mécanique au film.

Dans le cas de la co-extrusion multi-nanocouches, il s'agit non pas de créer 5 à 10 couches, mais un nombre de couches pouvant aller jusqu'à plusieurs milliers, pour une épaisseur finale totale du film équivalente (quelques centaines de microns). Au final, chaque couche de polymère ne fera plus quelques dizaines de micromètres, mais quelques dizaines de nanomètres ! On descend d'un ordre de grandeur pour l'épaisseur des couches !

Le but est donc de concevoir un film plastique composé de couches superposées les plus fines possibles, quel est l'intérêt d'avoir un nombre si élevé de couches si fines ?

L'intérêt principal est d'arriver à créer des couches d'épaisseur nanométrique, ce qui signifie que l'on arrive à confiner nos polymères : on les force à rentrer dans une couche très fine et à évoluer dans un espace très petit, de la même taille que leurs chaînes macromoléculaires. Le confinement est une contrainte qui, grâce à ce procédé de co-extrusion, peut modifier de façon substantielle le comportement des polymères et en particulier leur cristallisation. De tout cela, des propriétés inattendues, parfois améliorées peuvent découler.

Qu'est-ce que les « propriétés barrières » et en quoi sont-elles intéressantes ?

Augmenter les propriétés barrières d'un polymère à un gaz consiste à empêcher la diffusion de ce gaz au sein du matériau. On a vu, surtout dans le cas de films minces et souples, que les propriétés barrières (à l'eau et/ou l'oxygène) pouvaient être critiques pour les films protecteurs de cellule photovoltaïque. Or, une équipe américaine a montré que, grâce aux structures multi-nanocouches, des améliorations de propriété barrières à l'oxygène très significatives pouvaient être atteintes. Ainsi, grâce au procédé de co-extrusion multi-nanocouches, on pourrait s'attendre à fabriquer des matériaux plus barrières, plus résistants à l'oxydation et donc présentant des durées de vie beaucoup plus longues.

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