Qu'est-ce qui différencie les films formables des films non formables dans les emballages flexibles à haute barrière ?

Introduction : Définition des films formables et non formables dans les emballages flexibles

Les emballages souples pour denrées périssables, notamment dans les secteurs alimentaire et médical, reposent sur une distinction critique entre deux familles de films : les films formables et les films non formants. Les premiers sont conçus pour être profondément étirés ou façonnés en cavité (thermoformage), tandis que les seconds restent plats et servent de couverture ou de bande supérieure. Comprendre cette différence est essentiel lors de la spécification Film haute barrière supérieur et inférieur systèmes pour des applications telles que l’emballage sous atmosphère modifiée (MAP) ou l’emballage skin sous vide. L'interaction entre la bande inférieure (film formant) et la bande supérieure (film ou couvercle non formant) détermine l'intégrité du joint, la pénétration de l'oxygène et la résistance mécanique à la perforation. Cet article propose une analyse technique approfondie de la science des matériaux, des mesures de performances et des critères de sélection de ces films, en mettant l'accent sur les structures à haute barrière utilisant la coextrusion EVOH, PA et PE.

Les données d'enquêtes industrielles indiquent que le passage de films monocouches standards à un système de barrière élevée de formation/non formation correctement adapté peut réduire les taux de transmission de l'oxygène (OTR) de plus de 90 %, prolongeant la durée de conservation du produit de 7 à 10 jours à 25 à 30 jours pour la viande rouge fraîche. La synergie entre les deux bandes n'est pas négociable : le film de formage doit résister à l'emboutissage profond sans s'amincir au-delà des limites acceptables, tandis que le film non formable doit offrir une thermoscellabilité et des caractéristiques de pliage mortes constantes. Cet article détaille les exigences physiques et chimiques de chacun, fournit des données comparatives et comprend une étude de cas sur l'amélioration de l'efficacité du conditionnement de la viande.

Fondamentaux techniques du formage de films

Les films de formage, souvent appelés bandes inférieures, sont les bêtes de somme des lignes d'emballage par thermoformage. Ils sont chauffés et formés sous vide ou sous pression dans un moule pour créer une poche qui contient le produit. Un Film de thermoformage haute barrière doit équilibrer trois propriétés souvent contradictoires : aptitude à l'emboutissage en profondeur, répartition uniforme de l'épaisseur et OTR extrêmement faible (généralement ≤ 1,0 cc/(m²·24h·atm) pour une barrière élevée). L'architecture polymère comprend généralement une couche centrale d'EVOH (éthylène-alcool vinylique) qui fournit une barrière à l'oxygène, entourée de couches de liaison adhésives et de couches structurelles de polyamide (PA) pour la résistance mécanique et de polyéthylène (PE) pour la scellabilité.

Exigences mécaniques clés pour le formage de films

• Allongement à la rupture : Minimum 300 % (MD et TD) pour s'adapter à des ratios d'emboutissage profond jusqu'à 3 : 1 ou 4 : 1 sans rupture.
• Résistance au drapé et à l’affaissement : Les films doivent rester dimensionnellement stables lorsqu'ils sont chauffés à des températures de formage (généralement de 90°C à 130°C).
• Résistance à la perforation : ≥ 15 N (selon ASTM F1306) pour résister aux bords tranchants des os des emballages de viande.
• Uniformité de l'éclaircie : Un bien conçu Film coextrudé PA PE peut limiter l’amincissement dans les coins les plus profonds à ≤ 35 % de l’épaisseur d’origine, préservant ainsi les performances de la barrière.

Rôle de l'EVOH dans les structures de thermoformage

EVOH est la référence en matière de barrière à l’oxygène dans les emballages flexibles. Cependant, ses propriétés de barrière à l’oxygène se dégradent linéairement avec l’augmentation de l’humidité relative. Pour former des films utilisés dans des applications humides ou gelées, la couche d'EVOH doit être protégée par des peaux résistantes à l'humidité (par exemple, des couches de PA ou de PE épaisses). Un film de formage typique peut avoir la structure : PE (mastic)/Tie/EVOH/Tie/PA (extérieur). Le PA apporte non seulement une résistance à l’abrasion mais contribue également à une meilleure thermoformabilité du fait de son caractère amorphe. Valeurs OTR pour un tel 5 couches Film EVOH haute barrière peut être aussi faible que 0,3 à 0,5 cc/(m²·24h·atm) à 23°C et 50 % d'humidité relative, mais augmenter jusqu'à 1,5 à 2,0 cc/(m²·24h·atm) à 85 % d'humidité relative si les couches de liaison sont inadéquates.

Films non formants : le rôle des toiles supérieures et de l'operculage

Les films non formables, également appelés bandes supérieures ou couvercles, ne sont soumis à aucun emboutissage profond. Au lieu de cela, ils sont posés à plat sur la poche formée et scellés sous chaleur et pression. Malgré ce rôle apparemment plus simple, les exigences techniques d'un Film d'operculage à haute barrière sont tout aussi rigoureuses. Le film doit avoir un excellent pli mort (restant plat sans gondolage), une température d'initiation du thermoscellage constante (généralement 115 °C à 135 °C) et une haute résistance au délaminage pendant le pelage. Dans les applications faciles à décoller, une résistance au pelage contrôlée est requise (par exemple, 5 à 10 N/15 mm), tandis que pour le scellage hermétique, des résistances au pelage supérieures à 25 N/15 mm sont spécifiées.

Films Web haut et bas : association synergique

Dans un système d'emballage complet, la bande supérieure (non formable) et la bande inférieure (formée) sont rarement identiques. La bande supérieure est souvent plus fine (40 à 90 µm) et conçue pour l'imprimabilité, la clarté optique et les propriétés antibuée. Sa couche barrière (généralement du PET recouvert d'EVOH ou d'oxyde d'aluminium) doit correspondre ou dépasser l'OTR de la bande inférieure pour éviter un effet de « maillon faible ». Par exemple, si le film de formation a un OTR de 0,5 cc/(m²·24h·atm) mais que le film d'operculage autorise 3,0 cc/(m²·24h·atm), l'OTR total de l'emballage sera dominé par l'operculage. C'est pourquoi préciser Film haute barrière supérieur et inférieur car un système est essentiel. Des audits réels ont montré que des couches barrières mal adaptées sont à l'origine de 40 % des cas de détérioration prématurée des produits carnés MAP.

• Revêtements antibuée : Obligatoire pour les produits réfrigérés afin de maintenir la visibilité.
• Facile à décoller marqué au laser : Permet une ouverture partielle sans déchirer le film.
• Haut glissement et antistatique : Indispensable pour les machines horizontales de formage-remplissage-scellage (HFFS) à grande vitesse.

Une innovation notable est l’utilisation de PA orienté (OPA) dans les films non formables pour améliorer la résistance à la perforation tout en réduisant l’épaisseur. Les structures OPA/EVOH/PE offrent un excellent rapport rigidité/poids et remplacent de plus en plus les opercules à base de PET dans les barquettes à viande.

Différences fondamentales : films formables et non formables – Tableau de comparaison

Pour sélectionner le film approprié pour chaque bande, les ingénieurs doivent comprendre les différentes mesures de performances. Le tableau ci-dessous résume les différences fondamentales entre les films formables et non formables dans le contexte des emballages flexibles haute barrière.

Dans les lignes d'emballage à grande vitesse, le film de formage doit également présenter un faible frottement sur les plaques chauffantes et un comportement d'affaissement constant. Les films non formables, à l'inverse, nécessitent d'excellentes propriétés de déroulement et de dissipation statique pour éviter la rupture de la bande. Ces cahiers des charges complémentaires mais distincts font la sélection des Films Formants et Non Formants une tâche d'ingénierie spécialisée.

La structure haute barrière : rôle de la coextrusion EVOH, PA et PE

Les films formables et non formables atteignent des performances de barrière élevées grâce à la coextrusion multicouche, généralement 5, 7 ou 9 couches. La barrière centrale à l'oxygène est presque toujours de l'EVOH (avec une teneur en éthylène de 27 à 44 % en moles). Une teneur plus faible en éthylène donne une meilleure barrière mais une moins bonne aptitude au traitement. L'épine dorsale structurelle est le PA6 ou PA amorphe (PA6I/6T) qui contribue à la profondeur du thermoformage et à la résistance à la perforation. La couche de mastic, généralement du PE ou un mélange de LLDPE et LDPE, assure une étanchéité hermétique sur une large plage de températures. L'image ci-dessous illustre un film haute barrière coextrudé typique à 5 couches utilisé pour les applications de formage et de non formage (avec des rapports d'épaisseur de couche ajustés par rôle).

Pour former des films, la couche de PA est placée à l'extérieur (ou à l'intérieur) pour protéger l'EVOH des fissures lors de l'emboutissage profond. Pour les films non formants, la même structure peut être utilisée, mais souvent la couche de PA est remplacée par un matériau à module plus élevé comme le PET ou l'OPA pour réduire l'allongement. L'utilisation de Film EVOH haute barrière La technologie permet aux emballeurs d'atteindre des valeurs OTR inférieures à 0,2 cc/(m²·jour) avec des conceptions à 7 couches qui incluent des couches EVOH et PA supplémentaires. Cependant, l'optimisation des coûts conduit souvent à une coextrusion à 5 couches avec des couches de liant à base de polyoléfines greffées d'anhydride maléique, offrant une force d'adhésion intercouche > 5 N/15 mm.

Application dans l’emballage de viande : emballage sous vide et thermoformage

L'emballage de viande représente l'une des applications les plus exigeantes pour les films flexibles à haute barrière, combinant emboutissage profond, humidité élevée et contours nets du produit. Deux technologies dominantes s'appuient sur des films formables et non formables : l'emballage skin sous vide (VSP) et le thermoformage MAP. Dans VSP, la bande supérieure (non formable) est chauffée et étirée sous vide sur la viande, en épousant chaque contour, tandis que la bande inférieure (formante) n'est que légèrement préformée. Cela nécessite le Film d'emballage sous vide avoir une douceur exceptionnelle et un allongement élevé (> 400%). Typiquement, VSP utilise une structure PA/EVOH/PE d'une épaisseur totale de 80 à 120 µm et d'un OTR ≤ 0,8 cc/(m²·jour).

À l'inverse, le thermoformage traditionnel utilise une âme inférieure rigide (formage) qui crée une cavité profonde, et l'âme supérieure non formable est simplement scellée à plat sur la bride. Pour les grandes coupes de bœuf, le film de formage doit supporter des profondeurs d'emboutissage de 100 mm ou plus. Les données d'un transformateur de viande européen (anonyme) ont montré qu'en passant d'un film de formage PA/PE standard à un film à 5 couches Film coextrudé PA PE avec l'EVOH central, la teneur en oxygène à l'intérieur de l'emballage est passée de 2,5 % à 0,3 % après 14 jours, et la durée de conservation est passée de 18 à 34 jours à 2°C. La clé était l'épaisseur uniforme d'EVOH dans les coins formés, qui restait supérieure à 6 µm même avec un rapport d'étirage de 3,2:1.

Guide de sélection des films d'emballage de viande

• Viande rouge fraîche (haute goutte à goutte) : Utilisez un film non formant avec un revêtement antibuée et un film formant avec un WVTR élevé (pour permettre à l'humidité de s'échapper ?) – en fait un WVTR faible pour éviter le séchage. Épaisseur EVOH ≥ 8 µm.
• Viande transformée (salami, jambon) : Exiger une résistance élevée à la perforation des fragments osseux ; utiliser des films de formage riches en PA (teneur en PA 40%).
• Viande congelée : Doit éviter la fragilité ; choisissez un film de formage avec des modificateurs d'impact à basse température (par exemple, un mélange EVA).

Le Film d'emballage flexible pour la viande doit également être conforme aux réglementations FDA et UE sur le contact alimentaire, notamment pour la migration des oligomères EVOH. Les principaux convertisseurs utilisent des lignes de coextrusion qui maintiennent la pureté de l'EVOH et garantissent l'absence de solvants résiduels. En résumé, le choix entre formation et non-formation pour la viande n’est pas simplement mécanique ; il s’agit d’équilibrer l’élimination de l’oxygène, la rétention d’humidité et l’intégrité mécanique sur l’ensemble de la chaîne du froid.

Choisir entre des films formant et non formant : paramètres clés

Lors de la conception d'une structure d'emballage flexible, les ingénieurs doivent décider quelle bande (ou les deux) constituera l'élément à haute barrière. Dans de nombreux cas, les deux constituent une barrière élevée pour atteindre un OTR total de l'emballage inférieur à 0,5 cc/(m²·jour). Cependant, il existe des scénarios dans lesquels seul le film formant ou seul le film non formant incorpore de l'EVOH, en fonction de la géométrie et du coût du produit. Le tableau ci-dessous fournit une matrice de décision.

Un autre paramètre critique est l’interface d’étanchéité. Lorsqu'un film non formant est scellé sur un film formant, les couches de scellant doivent être compatibles. Les produits d'étanchéité incompatibles (par exemple, le mastic PP sur l'âme supérieure et le mastic PE sur la bande inférieure) entraîneront une faiblesse des joints ou une contamination des barres de scellage. Le plus moderne Films Web haut et bas utiliser une couche d'étanchéité coextrudée en LLDPE avec un point de fusion de 110 à 125°C. Pour obtenir des joints hermétiques, la résistance au collage à chaud à 0,2 seconde doit être > 3 N/15 mm.

Enfin, considérations économiques : les films de formage sont généralement plus chers au mètre carré car plus épais et contiennent plus de PA. Cependant, si un film à haute barrière plus fin et sans formation peut remplacer une barrière de formation plus épaisse, l'utilisation totale du matériau peut chuter de 20 à 30 %. Les évaluations du cycle de vie (ACV) des emballages de viande indiquent que le passage d'un film de formage de 180 µm à un film de formage de 120 µm avec une barrière d'operculage de 50 µm de haut réduit la consommation de polymère de 28 % tout en conservant le même OTR, car la couche d'EVOH de l'operculage n'est pas amincie pendant le formage. Il s’agit d’un exemple classique de synergie entre films formant et non formant.

Foire aux questions (FAQ)

Q1 : Un film non formable peut-il être utilisé comme film formable si la profondeur d’étirage est très faible ?

Techniquement, un film non formant (par exemple, PET/EVOH/PE de 60 µm) peut résister à une profondeur d'emboutissage de 5 à 10 mm sans se déchirer, mais il n'aura pas l'allongement ou la répartition d'épaisseur nécessaires pour conserver les propriétés de barrière. Pour toute profondeur d'emboutissage supérieure à 10 mm, un film de formage désigné avec du PA ou du PET amorphe est requis pour éviter un amincissement excessif et des piqûres.

Q2 : Quel est le taux d'étirage maximal pouvant être atteint avec un film formant barrière élevée PA/EVOH/PE ?

Avec un film coextrudé à 5 couches contenant 25 % de PA et 10 % d'EVOH, des taux d'étirage de 1:3,5 sont courants. Pour les films à 7 couches avec des couches PA supplémentaires, des taux d'étirage allant jusqu'à 1:4,5 sont possibles. L'épaisseur après formage au coin le plus profond doit être mesurée ; une limite inférieure de sécurité est de 35 % de l’épaisseur initiale pour maintenir la couche EVOH continue.

Q3 : Comment l'humidité affecte-t-elle les films haute barrière à base d'EVOH dans les emballages de viande réfrigérés ?

La barrière à l’oxygène de l’EVOH diminue à mesure que l’humidité relative augmente. À 90 % d’humidité relative, l’OTR peut être 8 à 10 fois plus élevée qu’à 50 % d’humidité relative. Pour atténuer cela, utilisez des films multicouches avec des peaux épaisses barrières contre l'humidité (HDPE ou PP) des deux côtés de l'EVOH. En pratique, pour la viande réfrigérée (2-4°C, 85-95 % HR à l'intérieur de l'emballage), l'OTR effectif d'un film EVOH non protégé peut atteindre 4-5 cc/(m²·jour), ce qui est insuffisant pour une longue durée de conservation. Exigez toujours des données de test à une humidité relative élevée.

Q4 : Quelle est la différence entre un film d'operculage et une bande supérieure en thermoformage ?

En thermoformage, la bande supérieure est le film non formable qui est scellé sur la bande inférieure formée une fois le produit chargé. Un film d'operculage est un sous-ensemble de bandes supérieures, généralement prédécoupées ou alimentées en rouleau, et est souvent plus fin (30 à 60 µm). Tous les films d'operculage ne sont pas formables, mais toutes les bandes supérieures ne sont pas des films d'operculage (certaines bandes supérieures sont également légèrement thermoformées en VSP).

Q5 : Puis-je recycler les films coextrudés PA/EVOH/PE ?

Lese films are multi-material and generally not accepted in curbside recycling streams due to the difficulty of separating EVOH and PA from PE. However, some advanced recycling facilities use solvent-based separation or pyrolysis. Many meat packers are switching to mono-material PE-based high barrier films (with SiOx coating) to improve recyclability, but those have lower thermoforming depth.