Revêtements intérieurs pour emballages métalliques par Yves PELLETIER Ingénieur de l’École nationale supérieure des industries chimiques de Nancy Chef du laboratoire de la société Ferembal 1. 1.1 1.2 1.3 Matériaux et procédés de l’emballage métallique ......................... Métaux.......................................................................................................... Techniques de fabrication des boîtes......................................................... Mise en œuvre des boîtes en conserverie................................................. 1.3.1 Principales opérations........................................................................ 1.3.2 La stérilisation..................................................................................... 2. 2.1 2.2 2.3 Composition et caractéristiques des vernis..................................... Définition et fonctions ................................................................................. Constituants ................................................................................................. Propriétés des films de vernis .................................................................... 2.3.1 Caractéristiques physiques................................................................ 2.3.2 Résistance chimique et physico-chimique ....................................... Principaux types de vernis et leurs utilisations......................................... Revêtements par film plastique.................................................................. — — — — — — — — 4 4 4 4 4 4 5 5 3.2 Mise en œuvre des vernis ...................................................................... Techniques d’application ............................................................................ 3.1.1 Vernissage à plat................................................................................. 3.1.2 Application au pistolet ou pistolage ................................................. 3.1.3 Techniques spécifiques ...................................................................... Cuisson ......................................................................................................... — — — — — — 6 6 6 6 6 7 4. 4.1 4.2 Méthodes d’évaluation ........................................................................... Propiétés physiques .................................................................................... Propriétés chimiques et physico-chimiques ............................................. — — — 7 7 7 5. 5.1 5.2 Choix des spécifications de protection en fonction du contenu ................................................................................................. Critères de choix .......................................................................................... Spécifications couramment retenues ........................................................ — — — 8 8 8 6. Perspectives d’évolution ....................................................................... — 8 2.4 2.5 3. 3.1 Pour en savoir plus........................................................................................... F 1 310 - 2 — 2 — 2 — 3 — 3 — 3 Doc. F 1 310 L es emballages métalliques pour produits alimentaires font partie de notre univers quotidien. Qu’il s’agisse de boîtes pour conserves, pour produits secs ou pour boissons (tableau A), ce conditionnement est associé naturellement à une idée de robustesse et de durabilité. Cela découle, bien sûr, des propriétés des matériaux de base, acier ou aluminium, et des procédés de mise en forme qui permettent d’assurer, de façon très fiable, l’étanchéité aux gaz, à la lumière, aux micro-organismes, nécessaire à une conservation prolongée. Pratique pour le transport et le stockage, l’emballage métallique l’est aussi à l’utilisation grâce au développement des dispositifs d’ouverture facile. Enfin, et Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Agroalimentaire F 1 310 − 1 REVÊTEMENTS INTÉRIEURS POUR EMBALLAGES MÉTALLIQUES _________________________________________________________________________________ Tableau A – Les boîtes métalliques et leurs principales utilisations Catégories Principaux produits Boîtes pour conserves appertisées Légumes Plats cuisinés Viandes et pâtés Poissons - Fruits Aliments pour animaux Boîtes pour produits alimentaires non-conserves Lait en poudre Biscuiterie Sirops Boîtes pour boissons Boissons gazeuses Bière c’est aujourd’hui un point important, les boîtes en métal sont recyclables et effectivement recyclées pour une part croissante (taux actuel voisin de 50 %). Ces points forts de la boîte métallique s’ajoutent à une condition première qui est la bonne compatibilité entre aliments dans leur diversité et matériaux de l’emballage. À l’origine, il s’agissait de fer-blanc (acier étamé) ; ce matériau peut, en effet, être employé en contact alimentaire direct grâce à son revêtement d’étain. Aujourd’hui, avec d’autres matériaux comme l’aluminium, d’autres technologies (emboutissage), d’autres exigences (aspect, teneur en métaux dissous), il apparaît utile ou nécessaire de compléter le matériau métallique par un revêtement organique désigné habituellement sous le terme de vernis. Les boîtes vernies intérieurement représentent maintenant plus de 95 % des cas, le ferblanc nu étant lui utilisé pour des produits secs (biscuits, lait en poudre) ou des fruits (poires au sirop). Les vernis à l’interface entre métal et contenu ont un rôle clé vis-à-vis de la qualité finale des boîtes ; ils constituent un domaine spécifique dans la technologie de l’emballage métallique. Le présent article a pour but d’apporter des éléments d’information sur ces revêtements. 1. Matériaux et procédés de l’emballage métallique L’emballage métallique est apparu dès le début du XIXe siècle dans le domaine de la conserve (cf. encadré). Cependant, avant d’aborder le domaine spécifique des revêtements organiques, il paraît utile de présenter le contexte technique et donc les divers types de matériaux métalliques ainsi que les procédés de formage et d’assemblage utilisés dans le domaine alimentaire. pour le fer chromé (ce dernier parfois désigné par les abréviations TFS (Tin Free Steel ) ou ECCS (Electrolytic Chromium/chromium oxide Coated Steel ) étant un substitut du fer-blanc pour certaines applications). Le fer-blanc est utilisé nu ou verni ; le fer chromé est toujours verni. ■ Aluminium On utilise des alliages (contenant du magnésium ou du manganèse) laminés dans une gamme étendue d’épaisseur selon qu’il s’agit d’emballages rigides, semi-rigides ou souples. L’aluminium est toujours utilisé verni. 1.1 Métaux 1.2 Techniques de fabrication des boîtes Deux grandes familles sont utilisées, l’acier (fer-blanc ou fer chromé) et l’aluminium. Les matériaux sont produits sous forme de feuilles ou de bandes continues à plat. Pour obtenir un récipient, 2 modes de réalisation sont possibles : — la fabrication en trois pièces (un corps, un fond, un couvercle) ; — la fabrication en deux pièces (un corps + fond d’un seul tenant, un couvercle). ■ Aciers pour emballage Ce sont des aciers doux laminés à froid (épaisseur 0,12 à 0,49 mm) revêtus d’étain (de 1 à 15 g/m2 selon utilisation) pour le fer-blanc, ou de chrome et d’oxyde de chrome (environ 0,1 g/m2) F 1 310 − 2 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Agroalimentaire ________________________________________________________________________________ REVÊTEMENTS INTÉRIEURS POUR EMBALLAGES MÉTALLIQUES Nicolas Appert et la conserve Jusqu’à la fin du XVIIIe siècle, la conservation des aliments faisait appel à des procédés traditionnels tels que séchage, fumage ou salage. Certes, ces techniques avaient prouvé leur efficacité, mais aussi leurs limites au point de vue nutritionnel. Cette époque de grandes campagnes militaires et d’expéditions lointaines a donc suscité la recherche de méthodes nouvelles de conservation qui a abouti avec l’invention de Nicolas Appert (17491841). Cet artisan, expérimentateur minutieux, a en effet établi les bases de la technique de la conserve telles qu’elles sont toujours appliquées, c’est-à-dire : — le conditionnement en emballage étanche ; — le traitement par la chaleur permettant de détruire ou d’inhiber micro-organismes, toxines ou enzymes. Après des années d’effort, les travaux d’Appert furent reconnus par les autorités de l’époque et portés à la connaissance de tous par la publication en 1810 de l’ouvrage : « L’Art de conserver pendant plusieurs années toutes les substances animales et végétales ». Dès ce moment, le procédé connut un incontestable succès et fut rapidement mis en pratique dans différents pays, en Angleterre notamment. Si Nicolas Appert a la paternité du procédé, appelé aussi appertisation, il n’est pas l’initiateur de l’utilisation de la boîte métallique. Son travail de mise au point fut réalisé avec des emballages en verre, en fait des bouteilles de champagne modifiées, qui posaient de sérieux problèmes en termes d’étanchéité de la fermeture et de sensibilité aux chocs thermiques. L’usage de la boîte métallique est associé au nom de Peter Durant qui déposa, dès 1810, en Angleterre le premier brevet à ce sujet. Nicolas Appert adopta rapidement aussi l’emballage métallique dans son activité de production de conserve qu’il poursuivit pendant des années. Il termina sa longue vie dans l’oubli bien avant que les justifications scientifiques de sa découverte ne soient établies grâce, notamment, aux travaux de Pasteur. ■ Dispositifs d’ouverture facile Les couvercles à ouverture facile (OF), dont l’usage tend à se généraliser aux dépens de l’ouvre-boîte traditionnel, représentent une évolution technologique décisive. Ils associent dans leur réalisation une ligne de préouverture obtenue par une réduction d’épaisseur localisée (incision) et un anneau de préhension riveté. C’est une fabrication délicate que ce soit par la précision requise dans les outillages (au niveau du micromètre pour les incisions) et également par les contraintes de protection liées à la forte déformation du métal. De manière plus limitée, on utilise également des systèmes à opercule thermoscellé qui peuvent s’ouvrir par pelage. Les systèmes thermoscellés permettent d’aboutir à un excellent niveau d’agrément d’ouverture. Par contre, les matériaux et assemblages sont fragiles et limitent l’utilisation aux assemblages de petite capacité (moins de 400 mL) avec un minimum de contraintes de process (stérilisateurs à pression régulée). 1.3 Mise en œuvre des boîtes en conserverie 1.3.1 Principales opérations Les étapes essentielles dans la fabrication d’une conserve sont : — la préparation du contenu ; — le remplissage des boîtes ; — la fermeture : le bouchage hermétique fait partie de la définition de la conserve. Cette opération a donc une importance évidente puisque l’étanchéité doit être maintenue pendant la stérilisation puis pendant toute la durée de vie de la boîte. La technique de base est le sertissage du couvercle sur le corps de boîte qui réalise un assemblage mécanique très résistant ; — la stérilisation. ■ Procédés en trois pièces (fer-blanc) 1.3.2 La stérilisation Le corps est formé en cylindre avec une soudure latérale (soudage électrique). Les fonds et les couvercles sont fabriqués séparément par emboutissage et assemblés au corps par sertissage. ■ Principe ■ Procédés en deux pièces ● Emboutissage-réemboutissage (procédé DRD : Draw and Redraw ) Le récipient est formé par une ou plusieurs opérations successives d’emboutissage sans modification notable d’épaisseur. Emboutissage-repassage (procédé DWI : Draw and Wall Ironing ) ● Le formage commence par un emboutissage classique suivi d’une opération de repassage qui étire la paroi cylindrique. Ce procédé s’applique notamment dans la fabrication des boîtes pour boissons. ■ Variantes techniques Le récipient métallique est un concept simple, qui offre cependant de nombreuses options de réalisation comme : — la forme : la plus courante en production de grande série est la forme cylindrique ronde, mais des formes rectangulaires, ovales, tronconiques sont réalisables et, même, des formes personnalisées; — le moulurage des corps de boîtes : les moulures permettent de renforcer la rigidité de la boîte ; — le rétreint ou l’évasement d’une des extrémités de la boîte pour en permettre l’empilabilité ou faciliter la vidange du contenu. La stérilisation des conserves consiste à appliquer aux boîtes (et à leur contenu) un traitement thermique suffisant pour détruire ou inhiber micro-organismes, enzymes et toxines. En pratique, on établit, en fonction du contenu, de l’emballage, du matériel de stérilisation, un cycle temps-température ou barème permettant d’assurer le niveau requis de stérilisation. Exemple : barèmes (durée correspondant au séjour des boîtes dans l’enceinte de stérilisation à la température indiquée, hors montée en température et refroidissement) des principaux produits : — haricots verts en boîtes de 425 mL................ 11 min à 130 oC ; — maïs doux en boîtes de 425 mL..................... 8 min à 125 oC ; — épinards hâchés en boîtes de 425 mL ........... 55 min à 129 oC ; — cassoulet en boîtes de 850 mL ...................... 22 min à 130 oC ; — aliments pour animaux (pâtée) en boîtes de 850 mL ....................................................... 90 min à 129 oC ; — mirabelles au sirop en boîtes de 1700 mL..... 15 min à 100 oC. Ces exemples montrent la grande diversité des barèmes qui doivent être établis et vérifiés au cas par cas, en fonction du mode de pénétration de la chaleur (produit plus compact = durée plus longue) ou des appareils utilisés. Les produits acides comme les fruits ne nécessitent généralement pas de traitement au-dessus de 100 oC. ■ Stérilisation en autoclave À l’époque de Nicolas Appert, les conserves étaient traitées à 100 oC dans l’eau bouillante. Un progrès majeur a été fait au cours du XIXe siècle avec l’utilisation de l’autoclave, c’est-à-dire un Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Agroalimentaire F 1 310 − 3 REVÊTEMENTS INTÉRIEURS POUR EMBALLAGES MÉTALLIQUES _________________________________________________________________________________ récipient sous pression de vapeur d’eau permettant de travailler au-dessus de 100 oC (on va aujourd’hui à 130 oC et plus). Tableau 1 – Pigments L’efficacité des traitements thermiques en a été grandement améliorée, tout en réduisant la durée et en préservant mieux les qualités gustatives et nutritionnelles du contenu. Oxyde de titane Vernis blancs ■ Stérilisateurs actuels Poudre d’aluminium Masquant de surface Les industriels disposent aujourd’hui d’une gamme très large d’équipements de stérilisation adaptés à leur activité, permettant de traiter de quelques centaines jusqu’à plusieurs dizaines de milliers de boîtes par heure. Oxyde de zinc Protection vis-à-vis des éléments contenant des sulfures Dans les critères de choix des stérilisateurs, on peut retenir : — le fonctionnement en continu ou en séquentiel (le continu convient aux productions de grand volume, le séquentiel offre plus de souplesse) ; — la stérilisation en régime d’agitation (pour favoriser les échanges thermiques dans certains cas) ou en statique ; — la régulation de pression (une pression d’air comprimé s’ajoutant à celle de la vapeur pour réduire les contraintes sur les boîtes). 2. Composition et caractéristiques des vernis Pigment Utilisation ■ Solvants Ce sont des constituants temporaires qui permettent de maintenir le vernis sous forme liquide stable et avec une viscosité adaptée aux moyens d’application. Les solvants sont ensuite éliminés par évaporation lors du séchage du vernis. Les solvants constituent donc la partie volatile du vernis (par opposition à un extrait sec qui forme le film final). On travaille en général avec un assemblage de solvants permettant d’optimiser pouvoir solvant et conditions d’évaporation (une évaporation régulière et progressive en cours de séchage favorise la formation d’un film régulier). Divers solvants organiques sont employés (par exemple alcools, cétones, composés aromatiques, les solvants chlorés étant exclus) ainsi que l’eau pour certaines formulations. ■ Additifs technologiques En faible proportion (moins de 1 %), ils permettent d’ajuster les propriétés des vernis, par exemple pour en faciliter l’application (agents tensioactifs) et pour améliorer le glissant de surface (cires de lubrification). 2.1 Définition et fonctions 2.3 Propriétés des films de vernis Un vernis peut se définir comme un matériau macromoléculaire déposé sur la surface du métal pour former un film mince (épaisseur de 3 à 15 µm) adhérent et inerte. Ses fonctions essentielles sont la protection du métal de l’emballage sur ses faces interne et externe et aussi la protection du contenu lui-même vis-à-vis d’effets éventuellement défavorables du contact avec les métaux. Le vernis peut aussi intervenir pour faciliter la mise en forme du métal (cas du fer chromé ou de l’aluminium) ; il a également souvent une fonction esthétique en contribuant à donner un aspect régulier et attrayant à l’intérieur et à l’extérieur de la boîte. 2.2 Constituants La plupart des vernis sont mis en œuvre sous forme de préparations liquides applicables sur le métal et traitées ensuite thermiquement pour former le film sec. ■ Matière filmogène C’est le matériau macromoléculaire (souvent désigné sous le terme « résine ») qui constitue la base du vernis. En fonction de la nature des polymères présents, de leur degré de réticulation, on aboutit aux propriétés effectivement recherchées. Les principales familles de polymères utilisés et leurs caractéristiques essentielles sont décrites au paragraphe 2.4. ■ Pigments (tableau 1) Les composés polymères donnent des films transparents. Les pigments sont utilisés pour : — opacifier le film et masquer le support ; — donner un aspect particulier (blanc, par exemple) ; — renforcer l’inertie chimique du film. F 1 310 − 4 Dans l’emballage métallique, c’est en réalité le couple métalvernis qui constitue le matériau de base. Les caractéristiques propres des vernis, telles que décrites ci-après sont donc souvent indissociables de celles du métal support. 2.3.1 Caractéristiques physiques Il s’agit des propriétés, parfois interdépendantes, touchant au comportement mécanique du métal verni, c’est-à-dire son aptitude aux opérations de formage et sa résistance aux contraintes mécaniques directes. On peut citer : — l’adhérence ; — la dureté ou rayabilité ; — la mobilité de surface (glissant) ; — la souplesse (ou flexibilité). Ces propriétés sont très liées à la structure moléculaire et, notamment, au degré de réticulation (polymères linéaires peu réticulés pour la souplesse ; réseau moléculaire serré pour la dureté). Elles peuvent parfois être modifiées par des additifs ciblés, par exemple les lubrifiants pour la mobilité de surface. 2.3.2 Résistance chimique et physico-chimique Les produits alimentaires, à partir du moment où ils contiennent de l’eau, sont susceptibles d’interactions avec les métaux d’emballages par des phénomènes de corrosion que les vernis ont pour rôle de minimiser. Ces réactions sont très diversifiées dans leur mécanisme et leur cinétique ; elles dépendent des métaux utilisés, mais aussi du Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Agroalimentaire ________________________________________________________________________________ REVÊTEMENTS INTÉRIEURS POUR EMBALLAGES MÉTALLIQUES Tableau 2 – Principaux types de vernis Famille de vernis Caractéristiques principales Utilisation préférentielle Corps et fonds 3 pièces Emboutis moyens Époxyphénolique Équilibre souplesse/résistance Époxyaminoplaste Inertie Boîtes 2 pièces boissons Époxyanhydride Équilibre souplesse/résistance Compatibilité au pigment TiO2 Blanc intérieur Boîtes 3 pièces Polyester Souplesse Intérieur embouti Couvercle à ouverture facile Organosol Souplesse Embouti profond Couvercle à ouverture facile contenu et de son mode de conditionnement. On peut citer comme facteurs importants : — l’acidité ; — la présence d’oxygène ; — la présence de composés catalysant certaines réactions (par exemple, les nitrates qui accélèrent la dissolution de l’étain sur le fer-blanc) ; — la présence de dérivés soufrés et, notamment, les sulfures qui, avec le fer-blanc, peuvent déclencher des réactions dites de sulfuration (formation visuellement gênante de sulfures d’étain ou de fer). L’efficacité de la protection par le vernis est le résultat d’un ensemble de caractéristiques et notamment : — la continuité du film (absence de porosité) ; — la perméabilité (par exemple aux sulfures) ; — la résistance à la stérilisation pour les conserves (phénomène d’hydrolyse) ; — la résistance aux acides (par exemple acide citrique ou acétique). La résistance chimique sous ses différents aspects est elle aussi liée à la structure moléculaire des vernis et, notamment, à la densité du niveau de réticulation qui se traduit par la plus ou moins grande perméabilité du film à l’eau, aux acides ou aux sulfures. ■ Époxyaminoplastes Cette famille de vernis est également à base de résines époxydes réticulées avec des aminoplastes (résines urée-formol ou mélanine-formol). Elle est notamment utilisée pour le vernissage intérieur de boîtes pour boissons en résine hydrodiluable applicable au pistolet. ■ Époxyanhydrides Là encore, il s’agit d’une gamme à base d’époxydes utilisée principalement pour la formulation de vernis blancs (avec une pigmentation à l’oxyde de titane). Le niveau de souplesse et de résistance chimique permet de les utiliser pour les corps et fonds classiques (boîtes trois pièces) avec des épaisseurs de film de l’ordre de 10 µm. ■ Polyesters C’est une gamme diversifiée où l’on exploite la possibilité de réaliser des revêtements très souples, en tonalité or ou blanc, avec une assez bonne inertie. Ils permettent notamment des formulations pour boîtes embouties-réembouties ou couvercles à ouverture facile. Dans certains cas, on les associe en plusieurs couches avec d’autres polyesters ou des vernis à base d’époxydes. Les polyesters sont également employés dans la formulation de revêtements en poudre thermoplastique. ■ Organosols vinyliques 2.4 Principaux types de vernis et leurs utilisations Cette famille regroupe des dispersions de PVC renforcés par d’autres résines qui permettent de former des films épais (plus de 10 µm) très souples. Cette souplesse est exploitée pour des boîtes embouties ou des couvercles à ouverture facile. Ces vernis sont souvent utilisés sur une sous-couche époxyphénolique qui renforce la résistance chimique et la liaison avec le métal. L’industrie des polymères offre de nombreuses possibilités de formulation, soit directement, soit par association de résines présentant des propriétés complémentaires. On classe habituellement les vernis par rapport aux principaux polymères. Les plus courants sont présentées ci-après ; le tableau 2 en résume les caractéristiques et les utilisations. 2.5 Revêtements par film plastique ■ Époxyphénoliques Ces vernis sont élaborés à partir de résines époxydes réticulées avec des résines formophénoliques. Les époxydes sont en fait largement utilisés dans l’emballage métallique ; ils sont obtenus par condensation de l’épichlorhydrine et du bisphénol A puis polymérisation. Disponibles dans différentes gammes de masse moléculaire, ils permettent des combinaisons variées avec des résines phénoliques couvrant une plage très large d’utilisation. Les vernis époxyphénoliques de tonalité « or » sont actuellement les plus utilisés dans les boîtes pour conserves, avec des épaisseurs de film de 4 à 7 µm. Il s’agit d’une technologie développée d’abord pour l’emballage souple dans laquelle le film de vernis est formé avant son application sur le métal. ■ Matériaux On emploie des films de polymères thermoplastiques polyester (PET) ou polypropylène (PP) extrudés ou coextrudés. Ces films sont appliqués sur le métal avec, éventuellement, une couche primaire adhésive et fixés à l’aide de cylindres chauffants. ■ Propriétés et applications Les films thermoplastiques sont plus épais que les vernis classiques (épaisseur de 15 à 50 µm). On peut tirer parti notamment : Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Agroalimentaire F 1 310 − 5 REVÊTEMENTS INTÉRIEURS POUR EMBALLAGES MÉTALLIQUES _________________________________________________________________________________ — de leur emboutissabilité : possibilité d’emboutissage profond et d’étirage partiel de la paroi des boîtes (développement important au Japon pour certaines boîtes pour boissons) ; — de leur aptitude au thermoscellage (film PP) : boîtes ou couvercles à thermosceller. Cylindre de transfert Cylindre preneur Cylindre applicateur 3. Mise en œuvre des vernis Feuille vernie L’obtention du résultat voulu passe par deux phases essentielles : — l’application : déposer le vernis liquide sur le métal ; — la cuisson : donner au film de vernis sa structure définitive. Cylindre de pression Racle 3.1 Techniques d’application Vernis Elles sont résumées dans le tableau 3. Figure 1 – Vernissage feuille à feuille 3.1.1 Vernissage à plat ■ Technique de base Le vernissage à plat consiste à déposer le vernis sur le métal en feuilles ou en bande avant les opérations de formage des boîtes. Le dépôt se fait par l’intermédiaire d’un cylindre applicateur en caoutchouc. La régularité de l’application est obtenue de différentes manières : — par vernisseuse traditionnelle : le vernis est transféré par des rouleaux métalliques dont l’écartement règle l’épaisseur du film (figure 1) ; — par procédé à écran rotatif : le vernis est alimenté à l’intérieur d’un cylindre microperforé. Positionnement et dimension des perforations permettent de maîtriser la quantité de vernis ; — par procédé ANILOX : le vernis est apporté au rouleau applicateur par l’intermédiaire d’un cylindre gravé. La géométrie et la profondeur des gravures permettent un ajustement précis des quantités déposées. ■ Application feuille à feuille ou en bande Le vernissage à plat peut effectivement être réalisé sur des feuilles (couramment de 0,6 à 0,8 m2) ou en bande continue à des vitesses de 50 à 200 m/min. Le vernissage en bande est adapté à de grands tirages, le feuille à feuille, lui, offre beaucoup de souplesse en permettant, par exemple, la formation de réserves (zones non vernies sur la feuille correspondant à l’emplacement des soudures lors de la fabrication des boîtes) ainsi que la décoration par impression de la face extérieure. 3.1.2 Application au pistolet ou pistolage Le vernis est ici appliqué sous forme de gouttelettes projetées par une buse sous l’effet d’une pression. On emploie généralement la technique airless haute pression. Le pistolage permet de vernir des pièces déjà formées et des corps creux. Il trouve ses applications principales : — dans la protection des boîtes embouties-étirées (boîtes pour boissons) dont le procédé de fabrication ne permet pas le vernissage à plat ; — le revernissage de certaines boîtes deux pièces ou trois pièces déjà vernies à plat mais requérant un complément de protection ; — le rechampissage ou réparation des soudures électriques de corps de boîtes trois pièces ou de l’incision de couvercles à ouverture facile. 3.1.3 Techniques spécifiques ■ Poudrage électrostatique Il s’emploie en particulier pour la protection des soudures électriques. Le matériau thermoplastique, mis sous forme de poudre à faible granulométrie, est transporté par un flux d’air. Il est chargé électrostatiquement dans le pistolet d’application et vient se déposer sur le métal mis à la masse. Tableau 3 – Techniques d’application des vernis Procédé Vernissage à plat Vernissage au pistolet Techniques spécifiques F 1 310 − 6 Mode d’application Utilisation Feuille à feuille Boîtes 2 et 3 pièces-Fonds En bande Boîtes 2 pièces-Fonds Sur boîtes terminées Boîtes 2 pièces Sur soudures Rechampissage Poudrage électrostatique Rechampissage Électrodéposition Réparation Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Agroalimentaire ________________________________________________________________________________ REVÊTEMENTS INTÉRIEURS POUR EMBALLAGES MÉTALLIQUES ■ Électrodéposition Utilisé pour la reprotection de couvercles à ouverture facile au niveau des incisions (réparation), ce procédé consiste à déplacer les particules de vernis dans un bain aqueux sous l’effet d’une tension électrique de quelques centaines de volts. Le vernis vient ainsi se déposer sur les zones de métal exposé (et donc conductrices de l’électricité). Tableau 4 – Cuisson des vernis Température Durée Étuve à feuille Type de four 190 à 210 oC 6 à 10 min Étuve pour bande 230 à 270 oC 15 à 25 s Four-tapis pour boîtes 200 à 210 oC 2 à 3 min 3.2 Cuisson ■ Adhérence : elle est vérifiée en routine par un test d’arrachement au ruban adhésif. ■ Rôle de la cuisson ■ Souplesse : c’est toujours l’ensemble métal + vernis que l’on teste en appliquant une déformation connue et en appréciant la dégradation éventuelle du revêtement : chaque laboratoire ou utilisateur peut choisir le type de déformation ou l’emboutissage le plus représentatif de ses besoins. La cuisson (ou séchage) du vernis donne à celui-ci ses caractéristiques finales. Elle assure : — l’évaporation des solvants et des produits volatils ; — s’il y a lieu, les réactions de polymérisation aboutissant à la structure moléculaire recherchée. Dans le cas des revêtements par poudres thermoplastiques, cette opération se limite à une simple fusion du matériau. ■ Techniques classiques La cuisson s’effectue en four à circulation d’air chaud qui assure le transfert thermique et évacue les solvants. Les fours sont de types différents selon l’application considérée : — étuve feuille à feuille : les feuilles passent en continu dans un four tunnel. Elles sont placées, une par une, en position presque verticale sur des supports métalliques mobiles (« peignes ») ; — étuve pour bande continue : la bande passe horizontalement dans le four ; — four pour boîtes : les boîtes circulent dans le four sur un tapis métallique horizontal. Les cycles de cuisson (tableau 4) sont adaptés en fonction du mode d’application et des caractéristiques des vernis. Ils définissent la température de cuisson et la durée (temps de passage dans le four ou temps de palier pendant lequel la température est maintenue au niveau voulu). ■ Cuisson par induction Le métal est chauffé directement par induction. Ce procédé permet d’atteindre des températures supérieures à 200 oC en quelques secondes et donc de réaliser des installations compactes. Il demande, par contre, une parfaite maîtrise de l’équilibrage du mélange de solvants et de la réactivité des polymères. ■ Porosité : elle caractérise la continuité du revêtement après application et fabrication de l’emballage. On l’évalue généralement avec un porosimètre électrique en mesurant l’intensité du courant, à tension continue constante, passant entre une électrode et le métal verni mis au contact d’un électrolyte. Les appareils usuels fonctionnent sous une tension de 6,3 V. Différents électrolytes peuvent être utilisés, par exemple une solution de chlorure de sodium à 1 %. Ce type de mesure peut être perfectionné pour prendre en compte les microfissures et les phénomènes de perméabilité. On utilise alors des méthodes électrochimiques plus élaborées comme l’impédancemétrie : ces méthodes sont cependant plus adaptées aux travaux de recherche qu’à des vérifications courantes. 4.2 Propriétés chimiques et physico-chimiques ■ Résistance à la stérilisation : on évalue, dans ce cas, la tenue du vernis dans un cycle simulant le traitement réel d’une boîte de conserve, par exemple 30 min à 130 oC en milieu vapeur et eau. ■ Inertie organoleptique : elle est évaluée par des tests de dégustation appropriés aux produits à conditionner. ■ Résistance chimique proprement dite : on procède par des tests relativement rapides (quelques jours) en utilisant des solutions synthétiques (par exemple, une solution d’acide lactique à 1 % mise au contact du métal verni et soumise à un test de stérilisation). Le résultat est évalué de manière comparative par rapport à des vernis témoins. 4. Méthodes d’évaluation L’importance des vernis dans la qualité finale des emballages métalliques a conduit à développer de nombreuses méthodes d’essais, qu’il s’agisse du contrôle courant de production ou de méthodes pour la sélection et la mise au point de nouveaux vernis. 4.1 Propriétés physiques ■ Épaisseur du film : caractéristique essentielle de l’application, elle est mesurée traditionnellement par pesée (par exemple, 5 à 7 g/m2 pour un vernis époxyphénolique courant) ou électriquement (le vernis est un diélectrique dont la capacité est fonction de l’épaisseur). On évalue également les vernis par des tests en conditions réelles consistant à fabriquer et à remplir des boîtes dans des conditions représentatives de la pratique industrielle. Les boîtes sont ensuite conservées pendant leur durée de vie prévue (souvent plusieurs années) et font l’objet d’examens périodiques. Le comportement à long terme des vernis peut ainsi être vérifié. Cette méthode est lourde et ne donne pas de réponse rapide mais c’est la seule donnant une appréciation certaine des phénomènes réels. Les interactions boîte-contenu en cours de stockage se traduisent par des réactions de corrosion avec des mécanismes et des conséquences variées : — réactions superficielles (taches…) affectant la présentation intérieure ; Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Agroalimentaire F 1 310 − 7 REVÊTEMENTS INTÉRIEURS POUR EMBALLAGES MÉTALLIQUES _________________________________________________________________________________ Tableau 5 – Spécifications de protection pour les boîtes trois pièces Niveau (1) Agressivité Exemples de produits concernés Spécifications retenues 1 Produits peu agressifs Petits pois Pâtés Cassoulet Fer-blanc ou fer chromé, vernis or époxyphénolique standard ou blanc époxyanhydride 2 Produits moyennement agressifs Tomates pelées Fer-blanc, vernis or époxyphénolique ou blanc époxyanhydride en une couche (éventuellement charge renforcée) 3 Produits agressifs Fruits Produits au vinaigre Fer-blanc, vernis or ou vernis blanc en deux couches (1) Niveau déterminé en fonction de l’acidité. — élévation de la teneur en métaux dissous et effets éventuels sur la qualité gustative ; — dégagement d’hydrogène gazeux associé à la corrosion et pouvant provoquer, à terme, un gonflement des boîtes (« bombage chimique ») ; — corrosion ponctuelle par piqûres pouvant évoluer vers la perforation. 5. Choix des spécifications de protection en fonction du contenu La bonne adéquation de la protection au contenu est un point clé dans les performances attendues d’une boîte métallique. Les matériaux et techniques de fabrication décrits plus haut offrent une gamme très large de possibilités. Les industriels s’appuient aussi dans leurs décisions sur un tissu de données expérimentales basées sur des essais en conditions réelles. 5.1 Critères de choix Le choix d’une spécification optimale de protection doit prendre en compte des critères diversifiés parmi lesquels on peut citer : — la corrosivité du contenu avec notamment : • l’acidité, • la présence de soufre ; — la sensibilité du contenu (couleur, goût) lors d’interactions avec le contenant ; — le degré de contraintes liées au mode de fabrication des boîtes (l’emboutissage, par exemple, interfère sur la tenue des revêtements et peut nécessiter des précautions particulières) ; — les souhaits particuliers en ce qui concerne la durabilité (entre 2 et 5 ans en général pour les conserves) ou l’aspect interne des boîtes (choix entre vernis or ou vernis blanc). 5.2 Spécifications couramment retenues Il est impossible d’établir une classification universelle des contenus au regard des exigences de protection. F 1 310 − 8 De façon très schématique et simplifiée, on peut retenir trois niveaux d’agressivité en fonction de l’acidité pour les boîtes trois pièces qui correspondent aux spécifications du tableau 5. En boîtes deux pièces, le choix du type de vernissage dépend aussi du degré d’emboutissage, les boîtes « hautes » demandant un vernissage renforcé (systèmes avec vernis organosol vinylique ou polyester). Pour les couvercles à ouverture facile, on utilise aussi en général des systèmes renforcés, par exemple, vernis organosol sur souscouche époxyphénolique. Enfin et outre les trois niveaux décrits dans le tableau 5, il faut également prendre en compte une catégorie particulière, celle des produits pour lesquels le contact direct avec l’étain est jugé favorable (cas des fruits blancs : poires au sirop). Dans ce cas, on peut employer des boîtes trois pièces avec un corps en fer-blanc non verni. 6. Perspectives d’évolution Le domaine des revêtements organiques comme, plus généralement, celui de l’emballage métallique est à même d’évoluer en fonction de facteurs très divers tels que : — les technologies de fabrication des boîtes : l’essor de l’ouverture facile, par exemple, requiert des propriétés spécifiques pour les revêtements en termes de flexibilité notamment. Le développement de techniques alternatives comme les couvercles pelables à opercule thermoscellable demande également des vernis spécialisés ; — les procédés d’application des revêtements : c’est l’exemple déjà cité des revêtements par film plastique, collés sur le métal ou appliqués en extrusion directe ; — la recherche d’aspects spécifiques, notamment avec les revêtements blancs de plus en plus utilisés au lieu des vernis de tonalité or pour l’intérieur des boîtes de conserves ; — les préoccupations environnementales : les boîtes bénéficient, à ce point de vue, d’une situation favorable grâce à leur recyclabilité qui n’est pas gênée par la présence des vernis. Un des axes d’évolution vis-à-vis de l’environnement concerne la réduction de l’utilisation des solvants organiques au travers de vernis à extrait sec plus élevé (voire sans solvant pour les poudres ou les films plastiques) ou hydrosolubles. 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