Un technicien de l’institut Fraunhofer avec un sac en papier scellé, fabriqué sans plastique ni adhésif dans le cadre du projet PAPURE
Dans la guerre des emballages entre papier et plastique, ce dernier est resté indispensable – même pour les produits en papier – grâce à un atout majeur : le scellage. Jusqu’à présent, des fermetures fiables nécessitaient des adhésifs ou des couches de plastique. Des scientifiques auraient trouvé le moyen de s’en passer.
Malgré tous nos efforts pour réduire la pollution plastique en utilisant des emballages en papier, nous finissons souvent par les utiliser malgré nous. Cela s’explique par le fait que les emballages en papier nécessitent toujours du plastique pour assurer une fermeture étanche. En effet, le papier est poreux : l’air peut ainsi pénétrer au contact du contenu solide et les liquides peuvent s’échapper.
Pour pallier ces limitations, les emballages en papier destinés aux aliments ou aux produits chimiques contiennent encore du plastique. On en trouve des exemples partout. Les briques de lait et de jus, bien qu’elles ressemblent à du papier, sont doublées de plastique (souvent du polyéthylène) et thermoscellées pour éviter les fuites. Autre exemple : les sachets en papier pour les biscuits et les chips. Leurs bords sont recouverts d’un film plastique thermoscellé pour empêcher l’air et l’humidité de pénétrer et ainsi préserver le croquant des aliments. On trouve également des gobelets à café, des boîtes à emporter et des flacons de cosmétiques, tous en « papier », mais avec des coutures ou des doublures en plastique.
Ce plastique contamine le papier, ce qui complique son recyclage et a un impact sur sa biodégradabilité.
Pour résoudre ce problème, des chercheurs de quatre instituts de l’organisme de recherche allemand Fraunhofer se sont associés pour créer le projet PAPURE. Selon un communiqué de presse de l’organisme, ce projet vise à développer un procédé de chauffage par laser permettant de réaliser des emballages sans adhésif, éliminant ainsi totalement le besoin de plastique.
L’unité de démonstration à l’échelle du laboratoire de Fraunhofer pour cette technologie
Le projet a mis au point un procédé en plusieurs étapes qui débute par l’analyse de différents types de papier afin de déterminer leur aptitude au traitement thermique. Cette étape permet de déterminer la teneur en biocellulose du papier, notamment en hémicellulose, cellulose et lignine, car ces composants influent directement sur ses propriétés adhésives. Grâce à des techniques de caractérisation analytique avancées, cette analyse permet également de détecter la présence de composés inorganiques susceptibles de nuire au traitement laser.
« Une proportion excessive de composés inorganiques, tels que le talc et le carbonate de calcium, a un effet négatif sur les propriétés adhésives et la résistance des joints. On peut également affirmer que les papiers plus épais sont plus adaptés au collage sans liant », explique Robert Protz, chercheur à l’institut Fraunhofer.
L’étape suivante consiste en l’innovation proprement dite qui permet un scellage sans adhésif. Les chercheurs irradient la surface du papier avec un laser CO₂, la chauffant rapidement et transformant ses principaux composants : la lignine, l’hémicellulose et la cellulose, en composés à chaîne courte. Ce processus d’irradiation crée un produit de clivage fusible qui reste à la surface du papier. Sous l’effet de la chaleur et de la pression, ce produit de clivage fusible scelle la surface.
En résumé, le procédé utilise un laser pour convertir les biocomposants déjà présents dans le papier en un produit semblable à de la colle qui peut être thermoscellé !
« En irradiant le papier avec un laser CO₂, nous créons des produits de réaction non solubles, semblables à du sucre, que nous utilisons à la place des matériaux synthétiques ou des adhésifs qui seraient autrement nécessaires pour sceller le papier par thermoscellage. De cette manière, nous produisons en quelque sorte notre propre adhésif sous forme de produits de clivage », explique Volker Franke, membre de l’équipe de recherche.
Sur le démonstrateur, une bobine de papier en aval du module de scellage présente clairement les découpes pour les sacs à quatre côtés.
Outre le traitement laser, les chercheurs développent également des systèmes de scellage adaptés au papier traité. Ils analysent aussi l’influence des propriétés des matériaux, des paramètres du laser et des propriétés des produits de la réaction de fusion sur la résistance de l’adhérence et l’étanchéité.
« En mesurant la stabilité mécanique sous différents types de charges, nous pouvons démontrer l’influence des paramètres laser et des paramètres d’étanchéité sur la résistance des joints. Les paramètres d’étanchéité essentiels sont la durée, la température et la pression d’étanchéité, ainsi que la géométrie de l’outil », précise Marek Hauptmann, responsable du projet commun.
Les recherches donnent déjà des résultats impressionnants. Les chercheurs ont pu soulever facilement 20 kg à l’aide d’un phoque mesurant seulement 2 cm de long et 3 mm de large.
L’équipe développe également une unité de production modulaire, certes à l’échelle du laboratoire, pour cette technologie. L’unité actuelle intègre le traitement laser et le scellage et permet de fabriquer un sachet plat à quatre côtés, couramment utilisé pour l’emballage. De plus, elle peut être intégrée aux lignes de production existantes, permettant ainsi une transition fluide vers des emballages véritablement écologiques.
