Matériaux barrières recyclables pour contact avec les aliments

Les emballages multicouches en plastique ou en papier continuent de jouer un rôle clé dans la protection des produits périssables durant leur conservation, fait remarquer Bram Bamps, du groupe de recherche MPR&S (Materials and Packaging Research & Services) de l'Université d'Hasselt. "Les complexes multicouches à barrière élevée - comme l'aluminium, les couches métallisées, le PVDC ou l'EVOH - se trouvent toutefois exclus de la filière de recyclage mécanique et/ou ils peuvent nuire au recyclage d'autres matériaux d'emballage dans les flux de déchets. Le tri et le recyclage mécanique sont toutefois les premiers processus de valorisation des emballages usagés. Le recyclage chimique évolue certes rapidement et il gagnera en importance dans les années qui viennent, mais il reste économiquement moins intéressant dans la plupart des cas."

Exigence pour 2030

Avec la volonté européenne de rendre tous les emballages réutilisables ou recyclables d'ici 2030, le choix s'oriente résolument vers les monomatériaux. Bamps: "Les recommandations sur le refus ou la limitation des couches barrières métalliques et polymères sont d'une importance cruciale pour qualifier les emballages comme devant être monomatières, triables et recyclables par les technologies disponibles. Ces hypothèses conduisent à la mise à disponibilité de matériaux secondaires de haute qualité pour des applications circulaires."

En limitant l'utilisation de ces matériaux essentiels, on met toutefois la fonctionnalité barrière sous pression. "Ce qui crée un besoin d'autres matériaux barrières de haute qualité, qui soit bénéficient d'un regain d'intérêt, soit sont issus d'un nouveau développement, pour répondre aux prescriptions actuelles en matière de recyclage", constate Bamps.

Couches fonctionnelles minces

La possibilité est ainsi ouverte, selon MPR&S, "de changer le paradigme des emballages multicouches complexe avec couche barrière incorporée à la structure et d'évoluer vers des emballages à couches fonctionnelles minces répondant aux exigences en matière de barrière."

"Barrière" est un terme générique incluant plusieurs facteurs: gaz (oxygène, dioxyde de carbone, composés volatils - déterminant l'arôme et l'odeur - ou d'autres gaz), humidité, liquides (eau, huile, acide) et lumière/UV par transmission.

"D'autres matériaux à couche barrière, notamment à base AlOx, PEN, LCP ou de structures hybrides organique-inorganique, pourraient être une solution. De nouveaux matériaux en cours de développement donnent des résultats prometteurs. Mais ils doivent encore être optimisés et validés pour une utilisation, par exemple, comme matériau de contact avec les aliments, mais aussi la nourriture pour animaux de compagnie ou les cosmétiques. Et ces secteurs sont précisément les principaux utilisateurs d'emballages souples multicouches."

L'innovation comme objectif

L'objectif principal de BeFORE est l'amélioration de la conception des emballages primaires dans une perspective de recyclage. MPR&S entend dès lors étudier le potentiel de mise en oeuvre d'emballages souples prometteurs, intégrant des matériaux barrières alternatifs. Dans ce contexte, il convient de prendre en compte les traitements applicables préalablement à un recyclage mécanique, comme le désencrage et le lavage.

Des groupes de paramètres clés ont été sélectionnés pour mesurer les aspects techniques de la protection du produit et de la recyclabilité de l'emballage. À savoir: "les propriétés mécaniques statiques et dynamiques, les propriétés barrières et la qualité sensorielle du produit, la soudabilité, la compatibilité avec les systèmes d'emballage automatiques et la recyclabilité dans les flux existants." L'évaluation prend en compte la viabilité économique et la disponibilité sur le marché, précise MPR&S.

Trois catégories

Trois catégories de produits ont été retenues pour la recherche: alimentation humaine, nourriture pour animaux de compagnie et cosmétique. Chacune d'entre elles comporte des produits secs et humides présentant différents rapports eau/graisse et différentes caractéristiques de stockage. La structure physicochimique du produit constitue le critère de sélection du test.

Le projet de recherche est organisé en un certain nombre d'étapes. Tout d'abord, des matériaux barrières alternatifs sont inventoriés au début du projet et au cours de celui-ci. On en évalue la conformité avec la législation européenne et les nouveaux développements relatifs aux emballages en papier et aux plastiques à usage unique.

Les emballages souples à matériaux barrières alternatifs prometteurs sont ensuite examinés et comparés aux solutions existantes.

Cinq études de cas génériques, dont 3 emballages plastiques et 2 en papier (par exemple, café, thé, aliments secs pour animaux, chocolat, viande, lingettes, savon liquide, etc.), sont balisées avec les entreprises participantes pour un remplacement du multicouche par un emballage à barrière alternative prometteur attesté comme recyclable.

Testé en laboratoire

Dans une étape suivante, les matériaux barrières prometteurs sont testés à l'échelle du laboratoire et l'on évalue les caractéristiques pertinentes pour le cas d'étude. C'est-à-dire, outre les propriétés barrières à l'oxygène, à la vapeur d'eau, à la graisse/huile et à la lumière: les caractéristiques mécaniques de résistance à la rupture (ductilité), d'adhérence, de solidité, de déchirure, de perforation, de frottement, de compatibilité avec les chaînes d'emballage, etc., et les caractéristiques chimiques de surface dans une perspective de soudabilité et d'imprimabilité.

Pour ces études de cas, on évalue les propriétés fonctionnelles de l'emballage, comme la migration globale, l'analyse sensorielle et la perméabilité aux arômes. La recyclabilité mécanique est testée selon les protocoles d'essai les plus récents.

Il est également tenu compte des exigences concernant l'usage unique des emballages.

Le but étant d'accélérer le déploiement de ce type de matériaux d'emballage, les résultats de la recherche seront publiés dans des revues scientifiques et feront l'objet de communications à l'attention du secteur de l'emballage.

Plus d'infos: bram.bamps@uhasselt.be.

Repac2 en phase pratique

Recherche MPR&S déjà en cours, le projet Repac2 consacré aux propriétés barrières des emballages en papier revêtus entre dans sa phase pratique. Après la phase de sélection portant sur leur soudabilité, leur perméabilité aux gaz et leurs caractéristiques mécaniques, dix à quinze matériaux se trouvent à présent à l'essai sur les lignes de fabrication des producteurs d'aliments. Le projet sera finalisé vers la fin d'année par la publication d'un rapport.

Selon le chercheur Bram Bamps, les initiateurs ont constitué un beau mix de denrées de conservation longue, lesquelles sont testées avec les produits concernés. Sans nommer les entreprises impliquées, il peut nous en confier la nature: du thé, un rouleau de fruits, des tranches de salami, des truffes au chocolat et des biscuits. Soit des produits qui présentent tous des contraintes de conservation spécifiques, notamment en termes de barrière aux gaz et à la vapeur d'eau. "Pour ces entreprises, nous avons cherché dans notre propre liste de matériaux caractérisés et testés, tout en allant voir plus loin sur le marché si ce n'était pas le cas. Un critère important était de voir si le - nouvel - emballage papier revêtu pouvait passer sur la ligne existante de l'entreprise, sachant que, dans le cas contraire, celle-ci n'aurait pas été disposée à tester une telle alternative compte tenu du lourd investissement nécessaire en temps et en argent. Nous facilitons le processus en cours de cas pratique également. Par exemple, s'il apparaît que la détection de fuites mérite d'être davantage étudiée sur place. L'imperméabilité aux gaz et la barrière à l'humidité relative devraient être bonnes dans des conditions normales. Des perméabilités aux gaz inférieures à 5 cc/m2.jour pour l'oxygène et sous les 5 g/m2.jour pour la vapeur d'eau sont exceptionnelles, mais possibles. Il peut toutefois arriver que l'emballage arrive dans une cellule réfrigérée ou qu'il soit soumis à d'autres conditions particulières dans l'entreprise qui posent de tout autres exigences."

Limitations du papier

La conclusion remarquable que l'on peut d'ores et déjà tirer de Repac2 est que les papiers revêtus présentent une barrière aux gaz et des caractéristiques mécaniques pouvant être qualifiées d'excellentes pour certaines applications. Mais le papier a aussi ses limites. Il ne peut naturellement pas servir de contenant à des liquides et il n'est pas étirable, alors que le film plastique l'est jusqu'à 400%.

Sans oublier le fait que la part du revêtement ne peut dépasser 15% du matériau total pour qu'il puisse continuer d'être qualifié de recyclable suivant la filière des vieux papiers. Mais cela pourrait probablement changer. L'Union européenne préconise en effet une révision à la baisse de cette proportion. Ce qui n'est pas un problème pour l'instant, mais peut le devenir, dit Bamps. "Le volume de ce type d'emballages reste relativement faible par rapport au total de pâte à papier mis en oeuvre. Idem donc pour la fraction coating. Mais le consommateur souhaite voir ce type d'emballages durables dans les magasins, si bien qu'ils seront bientôt présents en abondance sur le marché. Et la question se posera alors de savoir si l'ensemble constitué du revêtement et du matériau d'emballage papier est encore recyclable. Sirris va tester dans quelle mesure on peut réduire cette quantité tout en conservant un niveau suffisant de propriétés barrières comme celui que le matériau possède aujourd'hui."

Partage de l'information

"Nous réalisons cinq ou six études de cas au total, sur lesquelles un rapport paraîtra en fin d'année", poursuit Bamps. "En plus d'être mises à la disposition des entreprises participantes, ces données seront publiées en ligne pour que d'autres puissent y avoir accès." "Après quatre mois, un livre blanc sortira sur les matériaux d'emballage existants à base de papiers revêtus. Un atelier relativement accessible sera aussi consacré à l'évaluation et à la catégorisation des caractéristiques des papiers revêtus en tant que matériaux d'emballage. En même temps, un guide pratique détaillant les résultats des tests paraîtra à destination de l'industrie. Il sera disponible pour toutes les entreprises. Une publication scientifique clôturera le projet."

Report du projet MultiRec

Prévu pour démarrer début 2023, le projet international MultiRec est reporté au 1er janvier 2024 et devrait donc courir jusqu'à la fin 2025. La date ultime de soumission pour le projet international MultiRec a été reportée d'un an et se voit donc prolongée jusqu'au 1er mars 2023. Le projet étudie notamment le transport (de palettes sous film étirable et rétractable) et les performances mécaniques (dont l'allongement, la solidité, la résistance au percement, la résistance au déchirement) en relation avec les caractéristiques chimiques (comme la masse moléculaire déterminée par GPC, la ramification et division de chaînes par relaxométrie T2 et spectroscopie NMR ; également la détection des additifs comme les antioxydants et les agents antidérapants) de polyéthylène plusieurs fois recyclé.

Le projet en lui-même est bien avancé, mais MPR&S cherche toujours des entreprises désireuses de participer. "Pour ce qui est de la part flamande de la recherche, ce projet concernera surtout les emballages de transport, comme les films rétractables ou étirables pour charges palettisées. Il vise à étudier l'impact de l'ajout de flux de recyclats de polyoléfine dans les films d'emballage tertiaire et à cerner les implications d'un recyclage multiple de ces films. Le lien est établi entre les changements chimiques et les caractéristiques mécaniques en fonction des cycles de recyclage des films. La question centrale est la suivante: que vaut encore le matériau après avoir été passé plusieurs fois à la moulinette?"

Pas de contact avec les aliments

"Nous avons dans ce cas sciemment opté pour le film de transport, car le polyéthylène recyclé n'est pas autorisé dans les emballages de denrées compte tenu des exigences en matière de sûreté alimentaire", dit Bamps. MultiRec est un projet de collaboration européen. La partie exécutante pour la Flandre est l'UHasselt: MPR&S, sous la direction du prof. Roos Peeters, et ACC, sous la direction du prof. Wouter Marchal. Les deux groupes font partie du même institut de recherche, à savoir imo-imomec. "MPR&S travaille en fait ici en collaboration avec les confrères du département de chimie analytique de l'Université d'Hasselt. Nous nous intéressons aux performances de l'emballage et ils se chargent de sa composition chimique. Ils étudient, par exemple, la longueur des chaînes après un recyclage répété, et nous, les caractéristiques mécaniques du même plastique. En croisant nos conclusions, peut-être pourrons-nous découvrir certaines corrélations. Nous allons extruder différents matériaux."

Pour ce projet également, les promoteurs de MultiRec sont à la recherche de cas pratiques pour tester le filmage et la rétraction chez les emballeurs de transport. Des participants sont également recherchés dans toute la chaîne, aussi bien des producteurs des granulats devant servir de matières premières que des transformateurs qui en feront du film, des entreprises de construction qui vont l'utiliser ou des gestionnaires de déchets: collecteurs, trieurs ou recycleurs.