Film alimentaire premium : préserver la fraîcheur et sceller les odeurs

Contexte

Le film alimentaire est une forme d'emballage consistant en un film mince de polymère transparent, flexible, qui adhère à lui-même et aux contenants alimentaires pour former un joint hermétique. Le plastique garde les aliments frais en les protégeant de l'air et en empêchant les aliments secs d'absorber l'humidité et les aliments humides de la perdre. Il scelle aussi les odeurs pour les empêcher de se propager aux autres aliments stockés à proximité.

Les plastiques sont des polymères artificiels ; ils consistent en molécules géantes formées en combinant des milliers de petites molécules identiques en une longue chaîne. Ces petites molécules sont appelées monomères, et le processus de combinaison est la polymérisation. Les polymères naturels incluent la soie, le caoutchouc, et le coton.

Le premier plastique a été créé par le chimiste britannique Alexander Parkes en 1862, qui produisit une substance qu'il nomma Parkésine à partir de coton, acide nitrique, acide sulfurique, huile de ricin et camphre. Deux ans plus tard aux États-Unis, John Wesley Hyatt améliora ce produit et le nomma celluloïd. Le celluloïd fut un immense succès, utilisé pour de nombreux produits, mais hautement inflammable.

Le premier polymère entièrement artificiel (contrairement au celluloïd, dérivé du polymère naturel cellulose) fut la Bakélite, produite à partir de phénol et formaldéhyde par le chimiste belge Leo Baekeland en 1908. De nombreux autres polymères furent développés au XXe siècle, dont le caoutchouc artificiel et fibres artificielles comme le nylon.

Le premier plastique utilisé pour l'emballage fut le cellophane, un autre dérivé de la cellulose inventé par le chimiste suisse Jacques Brandenberger en 1911. Son avantage était la transparence, utilisé pour l'emballage dès 1924. Le cellophane fut le film plastique le plus courant jusqu'en 1963, quand il fut dépassé par le polyéthylène.

Le polyéthylène fut découvert par hasard par des chercheurs de la société britannique Imperial Chemical Industries en 1933, en mélangeant benzène et éthylène à haute température et pression. Le polyéthylène servit d'abord principalement comme isolant électrique. Il fut d'abord transformé en film en 1945 par la Visking Corporation aux États-Unis, et n'a cessé de gagner en popularité depuis.

Le chlorure de polyvinyle (PVC) fut produit avant la Seconde Guerre mondiale, utilisé à l'origine comme substitut inférieur au caoutchouc, mais les films de cette substance ne furent produits en quantité qu'à partir des années 1950. Le PVC sert aujourd'hui dans de nombreux produits : tuyaux, revêtements de sol, câbles électriques, chaussures, vêtements, et film alimentaire.

Le film de chlorure de polyvinylidène (PVDC) fut développé par Dow Chemical pendant la Seconde Guerre mondiale pour usage militaire. Offrant une haute protection contre l'humidité et résistance aux huiles, graisses et produits chimiques corrosifs, il servit à emballer équipements sensibles comme dispositifs optiques et composants de moteurs d'avion. En 1952, il fut offert au public sous le nom commercial bien connu Saran Wrap.

Matières premières

La plupart des films alimentaires ménagers sont faits de polyéthylène, PVC, ou PVDC. Ces polymères dérivent tous d'hydrocarbures simples comme méthane ou éthylène, produits à partir de gaz naturel ou pétrole. Le polyéthylène est fait directement d'éthylène. Le PVC est fait de chlorure de vinyle, dérivé de l'éthylène, ou d'acétylène, dérivé du méthane. Le PVDC est fait de chlorure de vinyle et chlorure de vinylidène, dérivé du 1,1,2-trichloroéthane, lui-même dérivé de l'éthylène ou l'acétylène.

Certains films plastiques, dont le cellophane, dérivent de la cellulose, obtenue de pâte de bois ou de linters, minuscules fibres adhérant aux graines de coton après retrait des fibres longues par l'égreneuse. Au moins un film plastique (Pliofilm, marque Goodyear) dérive du caoutchouc.

Le processus de fabrication

Traitement des matières premières

• 1 Les chimiques nécessaires à la synthèse des polymères sont généralement obtenus du pétrole. Le brut est chauffé dans un four à environ 400 °C. Les vapeurs montent dans une colonne de fractionnement, tour haute contenant une série de plateaux. Les plateaux sont plus chauds en bas, plus froids en haut. Les divers constituants du pétrole remontent sous forme gazeuse jusqu'à atteindre leur point d'ébullition où ils se liquéfient. Comme chaque substance a un point d'ébullition différent, elles se liquéfient à des plateaux différents et peuvent être séparées et collectées.
• 2 La plupart des polymères commencent avec des hydrocarbures très simples aux points d'ébullition bas. Ces substances ne se liquéfient pas dans la colonne, mais restent gazeuses, récupérables au sommet. Elles peuvent aussi provenir du gaz naturel, principalement méthane. Une autre source est le naphta, mélange d'hydrocarbures liquides issu d'une colonne de fractionnement, plus lourds que l'essence mais plus légers que l'huile lourde. Le naphta est chauffé sous pression pour briser les hydrocarbures liquides en molécules plus petites, processus dit de craquage. Un catalyseur permet le craquage à température et pression inférieures. Le catalyseur peut être une argile naturelle ou artificielle (mélange d'alumine et silice) ou une zéolite (minéraux contenant aluminium, silicium, oxygène, autres éléments combinés à l'eau). Le craquage catalytique a lieu vers 500 °C sous ~100 kPa. Le naphta craqué est ensuite distillé façon similaire pour séparer ses composants.

Polymérisation

• 3 Le polyéthylène est polymérisé à partir d'éthylène, issu du craquage. L'éthylène est chauffé en chambre sous pression à ~170 °C sous ~200 000 kPa en présence d'une faible quantité d'oxygène. L'oxygène casse l'éthylène en radicaux libres, qui se combinent en chaînes de polyéthylène. Environ 1 % d'un gaz non-réactif comme le propane est ajouté pour éviter des chaînes trop longues.
• 4 Le PVC est polymérisé à partir de chlorure de vinyle, obtenu soit en mélangeant acétylène et acide chlorhydrique, soit éthylène et chlore. L'éthylène est plus courant car obtenu efficacement du craquage du naphta. Si acétylène utilisé, il doit d'abord être synthétisé en chauffant le méthane à ~1500 °C ou par autres réactions. Le chlorure de vinyle est mélangé à l'eau et agité pour former une suspension, comme huile et vinaigre pour vinaigrette. Divers agents de suspension (amidon, gélatine) évitent la séparation. La température monte à ~40-50 °C et un initiateur, meist un peroxyde organique, démarre la réaction. Les molécules de chlorure de vinyle réagissent entre elles formant des chaînes de PVC. Le mélange est refroidi, particules de PVC séparées de l'eau par centrifuge et séchées au four.
• 5 Le PVDC est polymérisé à partir d'un mélange ~15 % chlorure de vinyle et ~85 % chlorure de vinylidène. Pour produire le chlorure de vinylidène, on fabrique d'abord le 1,1,2-trichloroéthane en mélangeant acétylène, acide chlorhydrique, chlore, ou éthylène et chlore. Le 1,1,2-trichloroéthane réagit alors avec hydroxyde de calcium ou sodium pour produire le chlorure de vinylidène. La polymérisation du PVDC suit le même principe que le PVC.
• 6 Le polyéthylène est naturellement flexible, mais PVC et PVDC doivent recevoir des plastifiants sinon ils restent durs et rigides. Divers esters organiques et inorganiques servent de plastifiants. Généralement, le plastifiant liquide est pulvérisé lentement dans la poudre polymère sèche et chauffé à ~150 °C pour former un mélange homogène.

Fabrication du film alimentaire

• 7 Le film alimentaire est fait par extrusion. Granulés de plastique fondus à ~100 °C (polyéthylène) ou ~200 °C (PVC, PVDC). Le liquide est forcé à travers une filière formant un tube de plastique chaud, étirable. À intervalles réguliers, de l'air comprimé est soufflé sur le côté du tube en mouvement pour former de grosses bulles. Cela étire le plastique à l'épaisseur désirée. Le film mince refroidit rapidement, la bulle s'effondre entre rouleaux métalliques formant un film. Le film est enroulé sur un gros rouleau métallique formant un rouleau de plusieurs kilomètres. Le film est ensuite déroulé, coupé à la longueur (généralement ~15 m) et largeur (~0,33 m), et ré-enroulé sur petits tubes en carton. (Ce déroulage, découpe, ré-enroulement donne au film une légère charge statique négative, qui l'aide à adhérer.) Les tubes en carton sont placés dans des boîtes en carton à bord dentelé pour que le consommateur puisse déchirer la longueur voulue. Certains ont aussi un point collant sur la boîte pour attraper le bord du film et l'empêcher de coller au tube. Les boîtes sont empilées en cartons et expédiées aux détaillants.

Contrôle qualité

Une variété de tests standards assure l'efficacité du film alimentaire. Les plus importants : perméabilité, résistance à l'impact, résistance à la déchirure.

La perméabilité à la vapeur d'eau est mesurée en remplissant un récipient de chlorure de calcium, substance hautement absorbante. Recouvert d'un échantillon de film et pesé. Le récipient est placé en chambre à température et humidité contrôlées. Après un temps mesuré, on pèse à nouveau. L'augmentation de poids montre la vapeur d'eau traversant le film. Test aussi possible en remplissant d'eau et mesurant la perte de poids pour voir l'évaporation. Tests effectués à 23 °C / 50 % HR, 32 °C / 50 % HR, et 38 °C / 90 % HR.

La perméabilité aux gaz est mesurée en plaçant un échantillon entre deux chambres. La chambre supérieure à 100 kPa, l'inférieure sous vide connectée à un tube au mercure. L'air traversant le film augmente la pression dans la chambre inférieure et fait baisser le niveau de mercure. La variation révèle la quantité d'air ayant pénétré le film.

La résistance à l'impact est mesurée en laissant tomber des poids croissants sur échantillons jusqu'à ce que la moitié cassent, le poids est alors enregistré. Aussi en remplissant des sacs du film testé avec du sable et les laissant tomber sur surface dure de hauteurs croissantes jusqu'à éclatement. La hauteur est enregistrée. Aussi en tirant une bille d'acier propulsée à l'air comprimé à travers une feuille de film et mesurant le ralentissement.

La résistance à la déchirure comprend résistance à l'initiation (force pour démarrer une déchirure) et à la propagation (force pour la continuer). Pour l'initiation, un échantillon en V peu profond est tiré entre deux mâchoires jusqu'à début de déchirure. Cette forme inhabituelle donne un angle de 90° point de départ contrôlé. La propagation est mesurée en écartant un échantillon avec une fente pré-découpée.

En général, le PVDC est plus résistant et moins perméable que le polyéthylène, qui est moins perméable que le PVC.

Préoccupations environnementales

Comme le film alimentaire est difficile, sinon impossible, à recycler et rarement réutilisé, il contribue aux déchets. Un groupe de consommateurs, considérant énergie et matières premières pour fabrication, déchets émis lors fabrication et élimination, recyclabilité, quantités typiques utilisées, a noté le film alimentaire « Bon ». Par comparaison, contenants plastiques réutilisables « Excellent », sacs plastiques « Très bon », papier alu et sacs congélation « Bon », papiers congélation « Médiocre ». Autre préoccupation : l'exposition à certains plastifiants pourrait être nocive. Ces chimiques migrent du film vers aliments chauds et gras. Bien que jamais prouvé nocif pour l'homme, plastifiants ont causé le cancer chez animaux de labo à fortes doses. Le film PVC peut contenir jusqu'à un tiers de plastifiants, le PVDC ~10 %, le polyéthylène généralement aucun.