Brevet FR2116487A1 — publié le 19720713

-1- 2116487 Les polyoléfines telles que le polypropylène, le poly-éthylène, des copolymères de telles matières et des matières plastiques cristallines similaires ont de nombreuses caractéristiques avantageuses, comme une haute résistance à la traction 5 à chaud, une haute résistance aux environnements nuisibles, peu d'odeur et de goût et un aspect et un toucher attrayants, ce qui rend ces matières très intéressantes pour emballer une gran de variété de produits, spécialement des produits alimentaires huileux. 10 Toutefois, les polyoléfines ont certaines caractéristi ques, comme une basse viscosité à l'état fondu,, qui les rendent difficiles à façonner à partir d'une feuille fondue, comme par formage sous vide ou sous pression, en raison d'un affaissement excessif de la feuille. Pour que l'on obtienne un degré appro-15 prié de résistance mécanique à 1'état plastifié pour ces matières, il est nécessaire d'utiliser une qualité de masse moléculaire extrêmement élevée. De telles matières sont difficiles à mettre sous la forme d'une feuille ayant une bonne surface. De plus, les propriétés thermiques des polyoléfines, comme une 20 basse conductivité calorifique et une capacité calorifique élevée, conduisent à des cycles de moulage d'une longueur excessive, par rapport à ceux du polystyrène et de l'ABS, les étalons de comparaison dans l'industrie du thermoformage. Les polyoléfines n'ont donc pas été utilisées de manière extensive dans le 25 thermoformage. Quand on essaie de chauffer des polyoléfines et de les mettre à une forme déterminée dans la phase plastifiée dans un appareil classique de thermoformage, la feuille s'affaisse d' une manière excessive, même en surfaces relativement petites, 30 et encrasse l'équipement, tant de chauffage que de formage, forme des rides qui sont conservées dans 11 article et exige un temps de séjour d'une longueur excessive après le formage pour durcissement à la forme désirée. La présente invention a pour but de fournir un procédé 35 de transformation d'une feuille plastique de polyoléfine en articles en forme de coupes à paroi mince sans les problèmes associés aux techniques classiques de thermoformage. 71 43257 -2- 2116487 En conséquence, l'invention fournit un procédé de fabrication d1 articles en forme de coupes à paroi mince à partir d'une feuille plastique de polyoléfine selon lequel on introduit une feuille mince de matière plastique polyoléfine à l'é-5 tat de plase solide au-dessous du point de fusion et ayant un indice de fluidité à chaud de plus de 0,7 entre un poinçon de formage et un moule comportant une ouverture à l'extrémité, on fait avancer le poinçon de formage dans l'ouverture du moule avec la feuille pour entraîner une portion bombée de la feuille 10 dans le moule et on introduit un fluide sous pression dans la portion bombée de la feuille pour former l'article dans le moule. La feuille de matière plastique est soumise au formage dans l'état de phase solide, c'est-à-dire au-dessous du point 15 de fusion et au-dessus du point de transition vitreux. La feuille est d'abord bombée par un poinçon auxiliaire ou mandrin de formage et la formation de l'article est complétée par un fluide sous pression agissant vers un espace mis sous vide ou un espace ne résistant pas sensiblement au fluide sous pression. 20 Comme la matière en feuille est dans l'état de phase solide, tout affaissement de la feuille est bien moindre que si la matière en feuille se trouvait dans la phase plastifiée et on évite ainsi les rides et on fabrique des articles ayant des parois plus minces et plus uniformes. La formation de rides, même aux 25 ouvertures des moules, constatée avec la feuille dans l'état de phase plastifiée par affaissement est évitée par le présent procédé. L'article peut être formé à partir d'une feuille qui n'est pas retenue latéralement au voisinage de l'ouverture du moule, ou en variante à partir d'une feuille qui est immobilisée au-30 tour de chaque cavité de moulage du moule. Le procédé convient spécialement pour utilisation avec une matière en feuille mince d'une épaisseur inférieure à 3,2 mm environ, de préférence comprise entre 0,5 et 1,5 mm, qui peut être formée facielement avec un matériel d'extrusion lami-35 nage et qui permet l'utilisation d'une matière de la qualité pour moulage par injection ayant une masse moléculaire assez basse et un indice de fluidité à chaud assez élevé. Une masse 71 43257 -3- 2116487 moléculaire élevée sera de 600 000 environ. Les cycles de formage sont du même ordre que ceux du polystyrène à haute résistance au choc et bien plus rapides, presque deux fois plus rapides, que ceux de thermoformage du polypropylène dans la pha-5 se plastifiée. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples, non limitatifs : la figure 1 est une vue schématique en élévation et coupe d'un appareil pour chauffer une matière plastique en feuille 10 et pour la transformer d'une manière échelonnée en un groupe d'articles en forme de coupes. La figure 2 est une vue en plan d'un groupe d'articles formés dans une feuille en un cycle de la presse. La figure 3 est une vue en coupe à plus grande échelle 15 montrant la feuille disposée entre un mandrin ou poinçon et un moule. La figure 4 est une vue similaire à la figure 3 après que le poinçon a terminé son mouvement en avant dans le moule. La figure 5 est une vue similaire après qu'un fluide 20 sous pression a amené l'article à sa forme finale dans le moule. La figure 6 est une vue à échelle encore plus grande, partiellement en coupe, d'un article fini. L'appareil représenté comprend un ensemble de chauffage 25 10, qui reçoit la matière en feuille W, d'une largeur allant par exemple jusqu'à 56 cm, en provenance d'un rouleau alimentaire 11, et un ensemble de presse 12. L'ensemble de chauffage comprend trois réchauffeurs échelonnés 13, 14 et 15 comportant des éléments inférieurs et supérieurs 16 de chauffage par rayon 30 nement, ayant chacun une longueur à peu près égale à celle de l'ensemble de presse. Des moyens, non représentés, sont prévus pour faire avancer la feuille par pas d'une longueur de presse ainsi qu'il est nécessaire à travers les étages successifs de chauffage et la presse, par exemple sous la forme de chaînes 35 latérales portant des pointes qui percent les bords de la feuil 71 43257 -4- 2116487 le et la font avancer d'une manière prédéterminée à travers les ensembles de chauffage et de presse» Les portions de feuille dans lesquelles les coupes ont été formées peuvent être coupées en tronçons ayant la longueur de la presse dès qu'elles 5 sont terminées dans la presse et passées à une machine de séparation en articles ; ou la presse peut être prévue pour faire avancer directement la feuille dans laquelle les coupes ont été formées à une machine de séparation en articles. Les déchets de feuille peuvent être fondus de nouveau et laminés de 10 nouveau ou mis au rebut, en fonction de considérations économiques. Un article 2G en forme de coupe est représenté sur la figure 6. XI comprend une paroi latérale 21, un fond 22 et un bord 23. 15 Les éléments de formage de 11 ensemble de presse 12 sont représentés dans la vue en action 3, 4 et 5. Ils comprennent un moule 25 comportant un conduit pour fluide 26, comme pour le vide ou pour un fluide sous pression sélectivement, un mandrin mâle ou poinçon auxiliaire 27 et un conduit à fluide 28, 20 corne pour un fluide sous pression afin de donner à l'article sa forme finale. La figure 3 montre la feuille W dans la position initiale entre les éléments de formage. On peut faire descendre le moule au niveau de la feuille et pousser la feuille contre le 25 moule. Le poinçon auxiliaire est ensuite déplacé vers le haut jusqu'à la position de la figure 4 tandis que l'air est évacué du moule par le conduit 26. Des bagues d'étanchéité 29 autour de chaque espace d'article, ou une bague d'étanchéité 3G autour du groupe des espa— 30 ces d'articles, ou à la fois les unes et l'autre, avec des conduits 28 pour alimentation en air des zones fermées, sont prévues pour retenir le fluide sous pression introduit pour gonfler les articles. Les emplacements des joints sont représentés en lignes discontinues sur la figure 2 pour indiquer leur 35 position sur la feuille soumise au formage. Ensuite, comme représenté sur la figure 5, un fluide sous pression comme de l'air comprimé, sous 5,5 atm ou plus, 71 «257 -5- 2116487 est introduit par les conduits 28 autour de chaque poinçon pour pousser la matière dans le moule. Après un temps d'arrêt de mouvement pour fixer la forme, le poinçon et le moule sont séparés, une éjection par 5 fluide sous pression dans les conduits 26 et des moyens pour repousser la feuille étant utilisés si nécessaire, et la feuil le dans laquelle les coupes ont été formées, une fois qu'elle n'est plus en contact avec les éléments de la presse, est enlevée de la presse. 10 Le feuille dans laquelle les coupes ont été formées pourrait être coupée en tronçons ayant la longueur de la presse et enlevée à la main ou d'une autre manière désirée quelconque. Ultérieurement, les articles individuels en forme de coupes sont séparés de.la feuille d'une manière désirée quel-15 conque. La feuille entrant dans la presse est chauffée à une température juste assez au-dessous de son point de fusion pour maintenir l'intégrité de la feuille et éviter l'affaissement et l'encrassement quand elle est entrainée entre les chaînes 20 latérales de support perçant la feuille. Comme expliqué ci- après, il est quelquefois avantageux d'effectuer le formage à des températures assez basses si on dispose d'une pression suffisante. Pour le polypropylène, qui a un point de fusion de 168° C. environ, la feuille est introduite dans la presse 25 à une température de 160-166° C. environ. Dans le thermofor mage de la même matière, elle serait chauffée à 177° C. environ. Le temps d'arrêt de mouvement après la formation des coupes pour conservation de la forme est grandement réduit en 30 utilisant du polypropylène en phase solide par rapport au formage à l'état plastifié de la même matière. Par exemple, le temps d'arrêt de mouvement dans le formage à l'état plastifié pour une feuille de 1 mm peut être de 6 secondes, tandis qu' avec le formage en phase solide de la présente invention ce 35 temps est réduit de moitié, et il est réduit dans le même rap port pour d'autres épaisseurs. Dans le thermoformage de polypropylène, seules les qua- 71 43257 "6" 2116487 X. lités à très bas indice de fluidité à chaud, comme de 0,5 ou 0,6, peuvent être utilisées. Les qualités à plus haut indice de fluidité ont une plus basse viscosité à l'état fondu et donc s'affaissent dans une mesure excessive, même sur de petites 5 surfaces sur les ouvertures des moules, et posent de sévères problèmes de traitement. Elles sont généralement considérées comme impossibles à façonner par les techniques classiques de thermoformage. Avec le présent procédé en phase solide, il est facile d'utiliser des qualités de polymère à assez haut indice 10 de fluidité à chaud, comme de 5,0, sans affaissement gênant. Pour le formage en phase solide, le poinçon est plus arrondi à 11 extrémité et un peu plus court que les poinçons utilisés pour le formage en phase plastifiée, les poinçons de formage en plase plastifiée étant plutôt plats à l'extrémité pour 15 entraîner irers le bas une masse plus épaisse de matière à souffler vers le bas après arrêt du mouvement du poinçon. Plus les pressions de soufflage ou de formage utilisées sont élevées, plus nets seront les coins et dessins de l'article ; plus la température est élevée, meilleure aussi sera la 20 définition de la forme. Le poinçon auxiliaire, en service, reste à une température relativement élevée, par exemple de 138° C. ou plus, de sorte qu'il ne refroidit pas la feuille dans une mesure excessive, relativement moins que dans le formage en phase plasti-25 fiée où la température de la feuille est bien plus élevée. Le moule opère à une température bien plus basse. Pour obtenir des durées minimales des cycles, on peut refroidir le moule par circulation d'eau refroidie, par exemple, à une température de 10° C. Plus la feuille est froide et épaisse et plus la pression 30 utilisée sur le poinçon est forte, plus arrondie et pointue sera l'extrémité du poinçon pour un fluage optimal de la matière. Par rapport à ceci, l'extrémité du poinçon pour le formage en phase plastifiée est presque plate avec un petit arrondissement des bords. 35 La matière en feuille est de préférence du polypropylè ne ou du polyéthylène ou un copolymère de ces matières. L'indice de fluidité à chaud préféré est habituellement de 4,5 à 5,2, 71 43257 -7- 2116487 habituellement de 5 ,0 environ. Dans chaque cas dans la présente description et les revendications, l'indice de fluidité à chaud concerne les valeurs AS3M. L'un des avantages importants du présent procédé est la 5 possibilité de fabriquer des articles transparents clairs tels que des récipients à partir de polypropylène. Un autre facteur dans la production de parois claires consiste à avoir un éclat élevé de la surface des deux côtés de la feuille. L'éclat, mesuré avec un brillancemètre Gardner à 45*, doit être de préfé-ÎO rence d'environ 50 ou plus. Pour obtenir un éclat élevé sur les surfaces des feuilles, les cylindres de formage doivent être très polis et la température des cylindres doit être réglée avec précision. Pour des feuilles ayant un Indice élevé de fluidité à 15 chaud comme de 5,0. Les cylindres froids supérieurs et centraux de formation de la feuille d'une machine à trois cylindres doi vent être maintenus à 27" C. environ et le cylindre inférieur doit être maintenu à 66° C. environ. Des articles modérément clairs ont été produits avec une feuille ayant un indice de 20 fluidité à chaud de 0,7 ; mais la transparence augmente à mesure que l'indice de fluidité à chaud augmente. I>a clarté augmente aussi avec de plus basses températures de formation des feuilles. De plus hautes pressions de formage permettent la fabrication d'articles à des températures plus basses et ceci 25 permettra une certaine réduction des exigences concernant l'éclat de surface nécessaire pour la production d'articles transparents clairs. Les pressions admissibles dépendent des machines disponibles et du nombre d'articles formés dans un cycle. Dans certaines machines, les pressions disponibles peuvent li— 30 miter la pression de gonflage des coupes à 5,5 atm environ quand on forme un grand nombre d'articles en forme de coupe dans un cycle, mais quand on change de type de machine cette limitation peut être modifiée. La clarté augmente à mesure que le dégré d'étirage su-35 perficiel augmente. L'étirage superficiel pour la clarté doit être d'au moins 3 pour 1 et pour une bonne clarté il sera de 6 ou 8 pour 1. 71 43257 —8— 2116487 Une qualité de polypropylène qui fournit un équilibre optimal entre la susceptibilité de traitement par extrusion et la clarté à toutes les épaisseurs est un homopolymère nucléé ayant un indice de fluidité à chaud de 5* Une qualité nucléé peut aussi 5 permettre un débit plus élevé de la boudineuse, en supposant qu'on dispose d'une boudineuse de la capacité nécessaire, parce que les qualités nucléées se solidifient à des températures plus élevées. Un autre facteur pour une haute clarté dans les parties 10 formées consiste à avoir une feuille qui a été produite à partir d'une masse plastifiée en boudineuse de matière d'un indice élevé de fluidité à chaud, qui est sensiblement exempte de structure cristalline résiduelle. Ceci résulte de ce que la cristallinité résiduelle non apparente de la masse plastifiée 15 fournit un emplacement de nucléation qui permet la formation d'une cristallisation. Pour éliminer la cristallinité résiduelle dans la masse plastifiée produite par la boudineuse et les cylindres, on a trouvé que les températures suivantes de la boudineuse sont satisfaisantes ; dans la zone d'alimentation 20 177* C. ; dans la zone de compression 232" C. ; et dans la zone de la filière 204* C. La température plus élevée dans la zone de compression aide à rendre complet plus tôt le processus de plastification du polymère et assure ainsi la production d' une masse plastifiée homogène sensiblement exempte de polymère 25 cristallin. Des articles plus clairs sont formés à mesure que l'indice de fluidité à chaud du polymère augmente. Avec des indices de fluidité à chaud au-dessus de 5,0, la clarté est excellente ; au-dessous de cette valeur, les articles sont de plus 30 en plus translucides. La clarté augmente aussi avec de plus basses températures de formage pour toutes les qualités de matières, mais la limite inférieure des températures admissibles de formage dépend des pressions dont on dispose et de la netteté de la dé-35 finition de forme désirée ou nécessaire. On voit ainsi que ce mode de mise en oeuvre particulier de 1'invention fournit un procédé simple et commode pour pro 71 43257 -9- 2116487 duire des articles transparents clairs à partir de polypropylène par formage de la matière en feuille à l'état de phase solide d'une manière particulière à partir d'une matière en feuille d'une source spécialement prévue à cet effet. 71 43257 -10- 2116487 -REVENDICATIONS- 1 - Un procédé de fabrication d'articles en forme de coupes à paroi mince à partir d'une feuille plastique de polyoléfine, selon lequel on introduit une feuille mince de matiè- 5 re plastique polyoléfine à l'état de phase solide au-dessous du point de fusion et ayant un indice de fluidité à chaud de plus de 0,7 entre un poinçon de formage et un moule comportant une ouverture à l'extrémité, on fait avancer le poinçon de formage dans l'ouverture du moule avec la feuille pour en-10 traîner une portion bombée de la feuille dans le moule et on introduit un fluide sous pression dans la portion bombée de la feuille pour former l'article dans le moule. 2 - Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que durant le mouvement de pénétration du poinçon dans 1' 15 ouverture du moule, les bords de la feuille à l'extérieur de l'ouverture du moule sont maintenues exemptes de toute retenue latérale notable au voisinage de l'ouverture pour permettre une traction initiale de la matière en feuille vers l'intérieur, et qu'un joint étanche aux fluides est formé autour de 20 l'ouverture sur la feuille avant l'introduction du fluide sous pression dans la portion bombée de la feuille. 3 - Un procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on forme plusieurs articles en forme de coupes sur la largeur de la feuille tout en retenant la feuille seulement à 25 ses bords latéraux. 4 - Un procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matière en feuille comprend un polypropylène ayant un point de fusion de 167-169° C. qui est soumis au formage dans le moule à une température de 160-166° C. 30 sous une pression de fluide de plus de 5,5 atm. 5 - Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière en feuille a un indice de fluidité à chaud compris entre 4,5 et 5,2. 71 43257 2116487 6 - Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la feuille est formée de polypropylène ayant un indice de fluidité à chaud de plus de 1,0, a été laminée à partir d' une masse plastifiée sensiblement exempte de polymère cristallin et a un éclat superficiel de plus de 45, mesuré par un bril-lancemètre Gardner à 45°. 7 - Un procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la feuille quand l'article est formé à partir d'elle se trouve entre 4 et 7° C. au-dessous de son point de fusion. 8 - Un procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la matière en feuille a un indice de fluidité à chaud d'au moins 5,0 et que la feuille a un éclat superficiel d'au moins 50, mesuré par un brillancemètre Gardner à 15° C. 9 - Un procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la feuille subit un accroissement de surface d'au moins 3 pour 1. 10 - Les articles formés par un procédé selon l'une des revendications précédentes.