Brevet FR2016661A1 — publié le 19700508

La présente invention est relative à la fabr > a tion de pellicules orientées en polyéthylène et plus particuliè rament aux conditions d'extrusion utilisée dans une telle fattl- cation La fabrication d'une pellicule de polyéthylène par extrusion d'une masse fondue à partir dune filière annulaire suivie de l'ét@rage, de la trempe et de l'orientation biaxiale subséquente par un procédé, de soufflage est tien connue des spé- cia list as On peut se reporter par exemple aux enseignemSrt-= du brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 231 642 Onr éalise par de tels procédes la fabrication de pellicules de faible épaisseur en polyéthylène, en particulier dans les limites de 12,7 à 19,1 mi- crons. Cependant l'efficacité du travail s'est trouvée limité par la faible possibilité d'étirage de la pellicule fondue à de faibles débits sous des conditions réglees avec précision Bien qu'il soit fondamentalement possible obtenir des pellicules de polyéthylène de faible épaisseur en formant la pellicule fondue sous une relativement faible épaisseur et en l'étirant ensuite re lativement peu, une talle opération limite grandement le degré d'orientation et le débit Le succès de la fabrication de pellicules min ces a fréquemment nécessité ltutilisation de résines ayant de bon nes caractéristiques d'orientation résultant d'une structure et de propriétés rhéologiques idéaliséesdu polymère Marne avec de talles résines, il est requis de prendre de grandes précautions au cours de la mise en oeuvre du procédé pour éviter des cassure;; fréquen tes et d'autres difficultés de travail On a trouvé que pour n'importe quelle résine donnée que ce soit, l'orientabilité de la pellicule fondue dépend dans une grande mesure de l'"histoire" de la masse fondue de la pellicule étirée. La présente invention a par conséquent pour objet un perfectionnement du procédé dDextrusion qui permet la fabrb cation satisfaisante de pellicules minces orientées en polyéthylène à partir de résines qu'il serait très diffirile de mettre en oeuvre par un autre procédé et qui fourniraient des résultats non satisfaisants. La présente invention est relative à un procédé pour la fabrication de pellicule orientée en polyéthylène qui com- prend l'extrusion du polyéthylène sous la forme d'un tube, l'éti rage dudit tube à l'état fondu, la trempe du tube étiré à l'état fondu, le réchauffage dudit tube & à une température convenant pour l'orientation et l'étirage dudit tube à plus de trois fois sa dimension d'origine à la fois dans la direction de la machine et dans la direction travers, caractérisé par le perfectionnement consistant à maintenir le rapport d'étirage de la masse fondue entre environ 6,5 : I et 1,1, le taux d'étirage de la masse fondue entre environ 7 secondes 1 et 0,1 seconde 1 et à maintenir l'effort dans la direction travers pendant l'étape d'étirage à une valeur supérieure à 70,3 kg/cm2.De préférence, le taux d'étirage sera compris entre environ 5 et 0,5 secondes 1 et le rapport d'étirage entre environ 4,5 : 1 et 1,5 : 1. La figure unique est une section schématique partielle illustrant du polyéthylène extrudé entre les lèvres d'une filière annulaire et étiré à l'état fondu en pellicule extrudée. En se rapportant au dessin, on utilise une filière annulaire ayant des lèvres 10 et 11 espacées d'une distance t1 pour l'extrusion d'un anneau 12 de polyéthylène fondu. Un mandrin de trempe interne en dépouille à refroidissement interne 13 est prévu pour réaliser opération de trempe. Un tel mandrin peut être du type décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n03 231 642 mais modifié comme on le représente dans le dessin par une partie en dépouille 14. Le polymère fondu est formé en tube extrudé 16 et on 11 étire sur le mandrin interne 13 de façon à réaliser le contact avec le mandrin au point 15. Comme on étire le tube sur le mandrin 13, l'épaisseur de paroi devient la dimension t2.Le point de contact 15 est en réalité un anneau entourant le mandrin 13 et il définit le plan de trempe initiale qui se situe au-dessus de la surface des lèvres 10 et Il de la filière à une distance h, comme montré sur le dessin. L'expression "rapport d'étirage de la masse fondue" est utilisée ici comme nombre sans dimension auquel on arrive en divisant l'épaisseur de la pellicule fondue par la distance séparant les lèvres de la filière ; en se rapportant au dessin, le rapport peut être représenté par t1/t2. Le taux d'étirage de la masse fondue est défini par l'équation suivante Taux d'étirage de la masse fondue = dans laquelle t1 = ouverture des lèvres de la filière t2 épaisseur de la pellicule fondue h = distance entre las lèvres de la filière et le plan initial de trempe V1 = vitesse de la masse fondue entre les lèvres de la filière V2 ~ vitesse de la pellicule fondue. On peut réécrire 11équation ci-dessus comme suit Taux d'étirage de la masse fondue et puisque V1/V2 # t2/t1, on peut écrire l'équation comme suit Taux d'étirage de la masse fondue = #### Ainsi, on peut estimer le taux d'étirage de la masse fondue quand on connaît la vitesse du tube fondu (V2), le rapport d'étirage (tl/t2) et la distance (h). Pour réaliser un étirage minimum de la masse fondue de façon à atteindre un étirage maximum de la pellicule, il faut mettre en corrélation correspondante les paramètres suivants du procédé (A) Quantité de polymère extrudé - let aux d'étirage de la masse fondue augmente avec l'accroissement de la quantité de polymère extrudé à température constante. On doit maintenir la température de la masse fondue à une valeur aussi élevée que possible sans sa crifier la qualité. Si la température de la masse fondue est éle vée, les possibilités étirage et d'orientation sont moins affec tées ar d'autres paramètres.La température de la masse fonda due dépend de la possibilité de maintenir une consistance adéquate de la masse fondue (entre la filière et le plan de tremper, On représenta quantitativement la quantité de polymère extrudé an termes de vitesse de la masse fondue V1, dans l'équation ciOdes- sus. De plus, cela induit une vitesse de cisaillement au niveau des parois de la filière due à la viscosité de la masse fondue et ceci affecte la possibilité d'étirage de la pellicule extrudée. Pour des raisons d'économie la quantité de polymère extrudé doit être maximum. (B) Ouverture des lèvres de la filière - let aux d'étir age de la masse fondue augmente avec l'accroissement de l'ouverture des lè vres de la filière. L'ouverture entre les lèvres de la filière doit représenter l'intervalle minimum autorisé par la perte de charge qu'on peut admettre. (C) Rapport d'étirage de la masse fondue - le taux d'étirage de la masse fondue augmente avec l'accroissement du rapport d'étirage.de la masse fondue, lequel comme on indique plus haut, est égal à l'ouverture des lèvres de la filière divisée par ltépais,seur de la pellicule extrudée. (D) Distance au plan initial de trempe - le taux d'étirage de la masse fondue décroît avec l'accroissement de la distance h. La La distance d épand de la consistance de la masse fondue et du temps de relaxation du polymère. On z éfère en outre que le rapport de la longueur de la circonférence moyenne de la filière à la hauteur h soit inférieur à 50/1, et de préférence à 20/1. La distance doit aussi permettre le gonflement du polymère avec accompagement de la relaxation de la masse fondue préalablement à 'a trempe. Bien que dgune façon idéale le taux étirage de la masse fondue puisse être nul, dans le domaine pratique, la limite inférieure est d'environ Ol seconde Rngénéral, le taux usuel sera supérieur à 0,5 seconde Pour assurer une bonne mise en oeuvredu procéda et pour obtenir les propriétés désirées de la pellicule (optiques,résistance 8 la traction, possibilité de contraction, etc.), les limites de température dvorientation sont très étroites pour le polyéthylène, Ceci est particulièrement vrai quand on procède à ltorientation de façon non isotherme en suivant un gradient de refroidissement (voir brevet des Etats-Unis dtAmXrique n0 3 231 642). On peut caractériser la possibilité d'étirage de la pellicule extrudée par un essai d'allongement dans une direction, celle de la machine (MD) pour déterminer son rapport ultime d'óti- rage dans la direction de la machine (UMDSR) à la rupture: ou par an essaidétirage suivant deux directions pour déterminer sa UMDSR pour un étirage donné dans la direction travers (TD). L'étirage dans une direction est unessai commode, tandis que étirage suivant deux directions simule un procédé industriel dçorientation tubulaire ou sur châssis, Une valèur élavée de UMDSR est une assurance contre la déchirure de la pellicule au cours dgune opération industrielle d'étirage.On a donc trouvé désirable d'orienter dans des limites de température où on trouve une valeur maximale de UMDSR dans une direction pour la pellicule extrudée quand on étire une pellicule extrudée avec une possibilité suffisante d'étirage suivant la MD, la force d'étirage suivant la TD devient le paramètre déterminant pour la déchirure de la pal licule.Dans un procédé tubulaire: la force maximale d'étirage suivant la TD est égale à Ls s force entripète dans la pellicule finale orientée et est donnee par l équation suivante S = Pd/2 dans laquelle S -* la force centripète pour le diamètre maximum de la bulle P = la pression dans la bulle pour le développement maximal de la bulle, d = le diamètre de la bulle pour son expansion maxi malte t = épaisseur de la pellicule pour l'expansion maxi male Le rapport d'étirage de la pellicule doit être supérieur à 3 fois dans la direction machine et dans la directiontravers et la for ce d'étirage dans la direction travers doit être supérieure à 7093 kg/cm2 dans la pellicule finale au cours de leo- pération d'orientation La présente invention présente le plus de valeur dans les procédés dans lesquels le rapport étirage est compris entre environ 5 fois et 12 fois dans la MD et entre envi ron 5 fois et 12 fois dans la TD En ce qui concerne la température d'extrusion de la masse fondue, le domaine de températures d'axtrusion de la masse fondue est limité vers le haut par la consistance ultime désirée ou par la dégradation et vers le bas par la pression d'extrusion permise ou la rupture de la masse fondue La présente invention sera maintenant décrite en se rap- portant aux exemples suivants On utilise en général le procédé et l'appareillage donnés dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 231 642, sauf quand on les modifie par d'autres directives données ici Chaque fois qu > on se rapporte à un indice de fusion1 il est déterminer. par le procédé ASTM-D-1238. EXEMPLE 1 On extrude une résine de polyéthylène (indice de fusion 1p82 g/10 min et densité 0:924) à 19500 à aison de 18 1 kg/heure et à unc vitesse de la masse fondu de 1,73 @m/seconde à partir d'une filière annulaire ayant une ouverture de lèvres de 0,89 mm. On trempe la masse fondue provenant de la filière à l'aide d'un mandrin interne en dépouille dans lequel le point de contact (plan de trempe initiale)est à une distance de 5,6 cm au-dessus de la filière. On obtient la pellicule à une vitesse de 3,05 cm/seconde et elle a une épaisseur de 508 microns. Le rapport d'étirage de la masse fondue est de ls75 et le taux d'étirage de la masse fon due est de 075 seconde-1. On évalue la pellicule extrudée en déterminant le rapport d'étirage suivant deux directions, l'étirage ultime (UMDSR) se faisant suivant la direction machine (MD), ce qui donne une indication quant à la possibilité d'étirage de la pellicule par un procédé industriel d'orientation tubulaire. On étire des échantillons sur un appareil de laboratoire T.M. Long à 11500 tout en maintenant une force travers supérieure à 70t3 kg/cm2. Pour un étirage dans la direction travers de 5 fois la dimension d?ori- gine, la UMDSR est supérieure à 72 fois. On peut orienter une telle pellicule suivant un procédé industriel non isotherme (brevet des Etats-Unis d'mérique n0 3 231 642) pour obtenir sans déchirure une pellicule de 15,2 microns d'épaisseur. EXEMPLE 2 On extrude une résine de polyéthylène (indice de fusion 1,2 g/10 min., et densité 0,925) à travers une filière annulaire ayant une ouverture de lèvres de 0,89 mm. On fait vas rier la température de la masse fondue entre 195 et 20000, suivant la vitesse d'extrusion. On obtient des pellicules extrudées d'épaisseur variable pour diverses quantités de polymère extrudé et diverses distances de trempe. On étire les pellicules extrudées dans un four Instron à 115 C pour déterminer les rapports ultimes d'étirage MD. Le tableau ci-après résume les résultats. La pratique industrielle indique que pour fa briquer une pellicule orientée de 1,1 microns d9épaisseur, la pellicule extrudée doit avoir un UMD6R d'au moins 18 àdans une di- rection à 11500 pour assurer une efficacité satisfaisante.Une pellicule extrudée ayant un UMDSR très inférieur à 18 fois setravaille moins efficacement Les données illustrent le fait qu'on préfke habituellement des taux d'étirage de la masse inférieure à 5 se condesol, En pratique industrielle, ,'ouverture des lè- res de la filière imposelaperte de charge jans la masse fondue et par conséquent la quantité de polymère extrudé. Des ouvertures larges des levures de la filière favorisent l'extrusion de grandes quantités de polymère Cependant, la vitesse d'extrusion désirable de la masse fondue impose une limite à ltouverture des lèvres de la filière.La pratique actuelle (aussi bien que l'équation donnée plus haut) montre que le rapport d'étirage de la masse fondue est de préférence inférieur à 4,5. EXWAPLE 3 On extrude environ 312 kg/heure (VI = 6,37 mètres/min) de résine de polyéthylène (indice de fusion 1S2 g/1O min et densité 0,925) à travers une filière annulaire ayant une ouverture de lèvres de 0,89 mm à environ 205au. On étire le polymère fondu à un taux d'environ 2,5 seconde letonle trempe pour obtenir une pellicule extrudée de 478 microns d'épaisseur. La distance de trempe (h) est de 10,2 cm, la vitesse (V2) de la pellicule extrudée est de 11,9 mètres/min et le rapport d'étirage de la masse fondue de 1,87. On réchauffe la pellicule extrudée à 115 C et ltories te 5 fois MD et 5 nfoisTD sous une pression de 2,99 mm de Hg.On obtient ainsi une pellicule orientée épaisse de 19,1 microns. Le force d'étirage travers est de 197 kg/cm2. L'évaluation au laboratoire indique que la pel- licule extrudée a un UMDSR unidirectionnel supérieur à 18 fois et m UMDSR bidirectionnel (5 fois en TD) supérieur à 7 fois (le tout mesuré à 115 C). La température d'orientation de cette pellicule extrudée est définie en accord avec sa possibilité d'étirage MD maximum Un graphique des valeurs de UMDSR Instron de la pellicule extrudée en fonction de la température indique que le UMDSR maxi- mal se trouve à 11500. Il en résulte que la pellicule extrudée doit être réchauffée à 1150 + 50G pour pouvoir opérer 1' orientation. En dessous et au-dessus de ce domaine de température,il se produit des déchirures ou ruptures de la pellicule lorsque celle-ci est de faible épaisseur. EXER1PLE 4 On extrude environ 18,1 kg/heure de résine de polyéthylène (indice de fusion 1,2 gXlO min et densité 0p925) à travers une filière annulaire ayant une ouverture de lèvres de le 1,52 mm. On étire le polymère fondu et on/trempe à une distance de 5,6 cm de la filière pour obtenir une pellicule extrudée épaisse de 381 microns. On réchauffe alors la pellicule tubulaire extru fois dée à 11500 et l'oriente 5 /MD et TD pour former une pellicule épaisse de 15S2 microns. La force étirage travers de la pellicule est de 185 kg/cm2. Ouverture des livres dela filière, tl 1p52 mm Epaisseur de la pellicule extrudée t2 381 microns Vitesse de la pellicule extrudée V2 2i52 mètres/min Vitesse de la masse fondue V1 0,63 mètre/min Distance au plan de trempe h 5,6 cm Rapport d'étirage de la masse fondue = 60/15 4s0 Taux étirage de la masse fondue 1,88 seconde l UMDSR à 115 C plus de 18 fois UMDSR à ll5 C (à 5 fois TD) plus de 7 fois Cet essai illustre les possibilités du procédé pour la fabrication d'une pellicule orientée de polyéthylène épais- se de 15,2 microns.La présente invention rend possible la fabri- cation industrielle de pellicules de cette épaisseur. Il est évident que liinvention n'est pas limitee aux détails décrits plus haut et que de nombreuses modifications peuvent être apportées à ces détails sans sortir du cadre de l'invention. TABLEAU @ Vitesse Vitesse de la Epaisseur de la Distance de Rapport Vitesse d'é- UMDSR d'extrusion pellicule ex- pellicule extru- trempe h tirage d tirage de la une direc trudée V. dée t2 en mi- masse fo masse fondue tion à kg/h mètres/ min. crons en cm t1/t2 en soconde @@ 115 C 228 7,9 452 10,2 1,97 1,93 24,2 228 9,0 416 10,2 2,14 2,32 21,5 228 10,4 356 10,2 2,5 2,98 20,5 228 12,5 297 10,2 3,0 4,1 18,0 228 13,6 272 10,2 3,27 4,73 16,8 311 7,6 658 10,2 1,35 1,47 23,6 311 9,14 546 10,2 1,63 1,98 22,4 219 8,84 406 3,8 2,17 6,17 16,5 219 7,9 447 3,8 1,99 5,19 18,0 286 10,2 455 3,8 1,96 6,6 16,8 286 9,3 493 3,8 1,84 5,7 17,6 286 7,46 630 3,8 1,41 3,94 18,0 REVENDICATIONS Procédé pour la fabrication de pellicule crient tée en polyéthylène comprenant 1'extrusion du polyéthylène sous la forme d'un tube, étirage dudit tube à l'état fondu, la trempe du tube étiré à l'état fondus le réchauffage dudit tube jusqu'à une température d'orientation et étirage dudit tube à plus de 3 fois ses dimensions dVcrigine aussi bien dans la direction de la machine que dans la direction travers caractérisé en ce qu'on maintient le rapport d'étirage de la masse fondue entre en viron 6;5 1 l et 1 1, on maintient le taux d'étirage de la masse fondue entre environ 7 secondes et 0::1 seconde et on maintierst la force au cours de l'étape d'étirage dans la direction travers au-dessus de 70,2 kg/cm2. 2.- Procédé suivant la revendication ls caractérisé en ce que ledit rapport d'étirage de la masse fondue se situe entre environ 4,5:1 et ,5 1 et en ce que ledit taux d'étirage de la masse fondue se situe entre environ 5 secondes -1 et 0,5 seconde Procédé suivant l'une ou l'autre des revendu cations 1 et 2, caractérisé en ce que ledit étirage se situe entre environ 5 et 12 fois ses dimensions d'origine dans la direction de la machine et entre environ 5 et 12 fois ses dimensions d9origine dans la direction travers.