Brevet FR2135573A1 — publié le 19721222

Il est connu depuis longtemps (brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 2 185 789) que des fibres peuvent être produites à partir d'un polymère thermoplastique synthétique en formant d'abord une pellicule à partir du polymère, en 5 soumettant cette pellicule à un étirage unidirectionnel à froid (c'est-à-dire à une température au-dessous du point de fusion du polymère), suivi d'une fibrillation mécanique. Durant cet étirage appelé étirage longitudinal, les molécules du' polymère dans la pellicule sont orientées dans la direction 0 d'étirage, avec le résultat que la résistance mécanique de la pellicule augmente dans la direction d'étirage et diminue dans la direction perpendiculaire. Ceci rend relativement facile pour la pellicule de se fendre dans la direction d'étirage, permettant ainsi la fibrillation de la pellicule par un trai- . V-, 5 tement mécanique. Initialement, ce procédé n'a pas trouvé un accueil très favorable dans la pratique. Toutefois, depuis la découverte du polypropylène (en particulier du polypropylène isotactique), -le procédé a été utilisé sur une plus grande échelle parce qu'une pellicule de polypropylène étirée se prête particulièrement bien à une fibrillation mécanique. Quand elle est étirée à un degré élevé, la pellicule de polypropylène fibrille même quelquefois spontanément sans qu'aucun autre traitement mécanique soit nécessaire. l'intérêt plus vif porté à la fibrillation de pellicules a entraîné de nombreuses améliorations et de nombreux perfectionnements du procédé, comme l'utilisation de fibrillateurs et de procédés de fibrillation spéciaux (brevets français n° 1 556 787 et 2 020 718) et de pellicules profilées comme matière de départ /"Brevets allemands "Offenlegungsschrif-ten" (demandes publiées sans examen) N° 1 917 822, 2 031 304 et 2 031 338_7 dans lesquelles une fibrillation spontanée se produit souvent durant l'étirage. la matière fibrillée résultante peut être constituée de fibres individuelles, mais habituellement c'est un réseau de fibres plus ou moins liées les unes aux autres. COPY aii». 72 15503 2 2135573 La matière fibrillée peut être réduite à l'état de fibres discontinues par coupe ou rupture en fibres de la longueur désirée» On peut aussi former des fibres discontinues en coupant d'abord la pellicule étirée en morceaux de la lon-5 gueur désirée et en fibrillant ensuite les morceaux de pellicule. En variante, la matière fibrillée peut être transformée en une nappe. Il est possible, par exemple, de placer quelques couches d'un réseau les unes sur les autres et de 10 les travailler avec des aiguilles ou des épingles (voir par exemple le brevet britannique n° 1 202 829) • On peut aussi obtenir une nappe en faisant passer des fibres discontinues à travers une machine à carder. Au lieu d'être une pellicule simple, la matière de 15 départ utilisée peut être aussi une pellicule stratifiée, c'est-à-dire une pellicule comprenant au moins deux couches de composition polymère différente. Voir par exemple le brevet britannique n# 1 181 24-9 et l'B0ffenlegungsschrift" allemand (demande de brevet publiée sans examen) n° 2 019 815. 20 Selon l'invention, une matière fibrillée obtenue à partir d'une pellicule stratifiée est utilisée pour renforcer du papier fabriqué de la manière classique à partir de fibres de cellulose. A cet effet, la matière fibrillée est incorporée dans le papier de manière que les fibres soient disposées dans 25 des directions au hasard, formant ainsi un grand nombre de "points de croisement" entre les fibres. lors du chauffage ultérieur à une température au-dessus du point de fusion du polymère ayant le point de fusion de plus bas et au-dessous du point de fusion du polymère ayant le point de fusion le plus 30 élevé, les fibres sont fondues ensemble aux points de croisement pour former un réseau avec les points de croisement fixés. Dans du papier sec, les fibres de cellulose présentent une certaine cohésion, avec le résultat que le papier a une certaine résistance mécanique. Quand le papier devient 35 mouillé, la majeure partie de la cohésion des fibres de cellulose disparait, avec comme résultat une réduction considérable dans la résistance mécanique. Des efforts ont été effectués pour augmenter la résistance mécanique du papier en y incorpo- COPY , 72 15503 3 2135573 rant des fibres homogènes de polymères (fibres à un seul constituant). Comme il n'y a à peu près aucune cohésion entre les fibres de polymère et les fibres de cellulose, il était nécessaire d'incorporer aussi dans le papier une quantité relativement importante (20 fo en poids ou plus) d'un liant tel qu'une résine acrylique. Ceci n'est pas nécessaire si on utilise le procédé selon l'invention, dans lequel on utilise des fibres non homogènes, c'est-à-dire des fibres comprenant deux couches ou plus de composition polymère différente (fibre.-à deux constituants ou à constituants multiples). On reconnaît que la cohésion résultante entre les fibres de polymères et les fibres de cellulose n'est pas très forte, mais ce n'est pas nécessaire parce que le réseau final de fibres avec les points de croisement fixés possède par lui-même une certaine résistance mécanique. Dans la production continue de papier, une suspensior aqueuse de fibres de cellulose (éventuellement avec une charget un colorant, de la colle, de la résine, etc) est passée d'abord sur un tamis, pour élimination de la majeure partie de l'eau. La feuille de papier mouillée passe ensuite entre un certain nombre de cylindres presseurs, par lesquels une quantité supplémentaire d'humidité est chassée du papier. A ce moment, la teneur en humidité est tombée à moins de 100 $ en poids, habituellement à 65 $ en poids ou légèrement moins par rapport à la substance sèche. Le papier passe ensuite sur un certain nombre de cylindres sécheurs chauffés, où un séchage supplémentaire se produit jusqu'à une teneur normale en humidité d'environ 8 $ en poids. Si le papier, après passage sur le dernier cylindre sécheur, a une trop basse teneur en humidité, un fin brouillard d'eau peut être pulvérisé sur le papier. Après séchage, de nombreux types de papiers sont calandrés pour qu'on obtienne une surface lisse. le procédé de l'invention peut être intégré de diverses manières avec ce procédé classique de fabrication de papier. En premier lieu, des fibres discontinues peuvent être ajoutées aux fibres de cellulose avant la formation de CGPY 72 15503 4 2135573 la feuille de papier mouillée„ Pendant ou après le séchage (et le calandrage, si on le désire) le traitement thermique nécessaire selon l'invention peut être effectué. Une longueur appropriée pour les fibres de polymère est de 5 à 15 mm envi-5 ron ; l'épaisseur (correspondant à l'épaisseur de la pellicule étirée) est comprise habituellement entre 5 et 50 microns ; la largeur, qui varie habituellement beaucoup avec un produit de fibrillation de pellicule, est habituellement comprise entre 20 et 250 microns. Par addition d'une charge au polymère, 10 il est possible d'agir sur la densité des fibres de polymère et, si on le désire, de la rapprocher de celle des fibres de cellulose, de manière à réduire la tendance au démélange en suspension aqueuse. En deuxième lieu, les fibres de polymère peuvent 15 être ajoutées après que la feuille de papier mouillée a passé entre les cylindres presseurs et a acquis une certaine résistance mécanique. Dans ce cas, il doit y avoir deux feuilles de papier, les fibres de polymère étant placées entre elles. Bien qu'ici également il soit possible d'utiliser des fibres 20 discontinues, il est néanmoins beaucoup plus facile d'opérer avec un réseau continu ou une nappe. L'introduction des fibres de polymère entre les feuilles de papier mouillées est suivie de nouveau de l'étape de séchage, etc, comme indiqué ci-dessuso Dans ce cas, il est évidemment possible aussi 25 d'opérer avec trois feuilles de papier et deux couches intermédiaires de fibres de polymère, etc. En variante, chaque couche intermédiaire de fibres de polymère peut être constituée de plusieurs réseaux placés les uns sur les autres» L'épaisseur des fibres (correspondant à l'épaisseur de la 30 pellicule étirée) est habituellement comprise entre 5 et 100 microns ; la largeur est habituellement comprise entre 20 et 150 micronso Dans l'un et l'autre cas, il est avantageux que les fibres de cellulose soient pressées, pour ainsi dire, entre 35 les fibres de polymère durant le passage sur les cylindres sécheurs (et éventuellement durant le calandrage). Ainsi, des couches- séparées ne sont guère discernables dans le produit final. vCPT j 72 15503 5 2135573 Le deuxième procédé mentionné ci-dessus peut aussi être appliqué, si on le désire, à des feuilles de papier qui sont sèches ou presque sèches, mais dans ce cas il est plus difficile de mélanger ensemble les fibres de cellulose et les fibres de polymère. Bien qu'il n'ait été question ci-dessus que d'intégrer le procédé de l'invention dans le procédé continu de fabrication du papier, on comprendra que le procédé de l'invention peut, en effectuant les changements nécessaires, être intégré aussi avec le procédé discontinu de fabrication du papier (papier fait à la main). De plus, le terme "papier" doit être compris commevenglobant les types assez épais de papier qui sont habituellement appelés "carton". Evidemment, on do^t utiliser une matière fibrillée qui est obtenue à partir d'une pellicule stratifiée comprenant des polymères ayant des points de fusion différents, mais en général des polymères différents ont tendance à avoir des points de fusion différents de toute manière. Est très utilisable, un stratifié formé de polypropylène et de polyé-thylène, en particulier de polyéthylène à basse densité comme celui obtenu par le "procédé à haute pression" bien connu. Les points de fusion de ces matières sont de 170°C et de 120°C respectivement et sont suffisamment éloignés lfun de l'autre pour que le procédé de l'invention soit facile à mettre en oeuvre. Le traitement thermique peut être effectué à 130-140°C environ, ce qui laisse une marge confortable de chaque côté. De plus, il est possible de rester suffisamment loin au-dessous du point de fusion du polypropylène, ce qui est un avantage parce que le chauffage presque jusqu'au point de fusion provoque l'orientation des molécules et ainsi la perte de la majeure partie de la résistance mécanique de la fibre. L'adhérence entre les couches dans la pellicule stratifiée peut être encore améliorée, si on le désire, par incorporation d'une quantité assez petite de l'aitre polymère dans chaque couche. Par exemple, une couche peut être composée de 95 à 60 parties en poids de polypropylène et de 5 à 40 parties en poids de polyéthylène et l'autre couche de 95 à 60 parties en poids f. vèàpy 72 15503 6 2135573 de polyéthylène et de 5 à 40 parties en poids de polypropylène. En choisissant du polypropylène ou au moins essentiellement du polypropylène pour une couche du stratifié, on tire aussi avantage de la fibrillation facile des pellicules étirées de poly-5 propylène. Enfin, une température de chauffage de 130-140°C n'est pas nuisible pour le papier, tout au moins durant le court laps de temps nécessaire pour le traitement thermique selon l'invention. Naturellement, il ne sera pas possible dans ce cas d'effectuer le traitement thermique durant le séchage 10 usuel du papier, mais un chaiffage peut commodément être effectué à un stade ultérieur durant le calandrage. Dans ce cas, le traitement thermique est effectué sous une certaine pression, ce :qui en général est avantageux. En général, la quantité de fibre de polymère uti-15 lisée sera.de 5 à 75 $ en poids, par rapport au poids total du papier, mais il y a lieu de noter que la quantité de fibre de polymère utilisée dépend de la mesure dans laquelle on désire améliorer la résistance mécanique à l'état humide du papier. Des fibres discontinues sont habituellement nécessaires 20. en plus grande quantité qu'un réseau ou une nappe ; normalémeat de 20 à 75 en poids pour des fibres discontinues et de 5 à 40 en poids pour un réseau ou une nappe. Il y a lieu de noter que la fusion et l'écoulement du polymère ayant le point de fusion de plus bas améliorent aussi l'imperméabilité du papier. 25. Il n'est pas nécessaire que les diverses couches de la pellicule stratifiée soient d'épaisseur égale ; une couche peut avoir une épaisseur atteignant 10 fois ou plus l'épaisseur de n'importe quelle autre couche. Il y a lieu de noter que la pellicule stratifiée 30 peut contenir des additifs classiques tels que des stabilisants des charges et des colorants, EXEMPLE I. Pour préparer une pellicule stratifiée, comprenant deux couches, la matière de départ utilisée est du polypropy-35 lène d'un indice de fluidité à chaud de 1,5 et du polyéthylène d'un indice de fluidité à chaud de 2,0 et d'une densité de 0,925» La pellicule est produite par le procédé d'extrusion- 72 15503 7 2135573 soufflage, une boudineuse étant alimentée en un mélange de 90 parties en poids de polypropylène et 10 parties en poids de polyéthylène et une deuxième boudineuse étant alimentée en un mélange de 90 parties en poids de polyéthylène et de 10 partie; 5 en poids de polypropylène, les deux boudineuses étant reliées à une seule filière d'extrusion comportant une ouverture circulaire, dans laquelle les deux masses fondues de polymères deviennent confluentes juste avant de quitter la filière. En faisant en sorte que les deux boudineuses fournissent les 10 polymères au même débit, on assure que les deux couches du stratifié atteignent la même épaisseur, à savoir 30 microns. La vitesse d'extrusion est de 9 m/min et, après aplatissement et coupe longitudinale de la pellicule tubulaire, on obtient une pellicule plate d'une largeur de 30 cm. 15 Cette pellicule est soumise à un étirage à froid dans la direction longitudinale à une température de 80°C et à un taux d'étirage de 8 : 1. Durant l'étirage, l'épaisseur totale de la pellicule est réduite de 60 à 21 microns. La pellicule stratifiée étirée est fibrillée par 20 passage de la pellicule sur un cylindre équipé de lames de scie (voir le brevet français n° 1 556 787). La vitesse périphérique du cylindre est quatre fois la vitesse linéaire de la pellicule La matière fibrillée obtenue a la forme d'un réseau continu. Quatre couches de ce réseau sont disposées les unes 25 sur les autres et passées ensemble entre deux feuilles de papier Kraft mouillé formé à partir de pâte mécanique au sulfate, feuilles qui viennent des cylindres presseurs et ont une teneui en humidité de 60 $. Les deux feuilles de papier et la matière fibrillée intermédiaire passent ensemble sur les cylindres 30 sécheurs, qui sont chauffés intérieurement avec de la vapeur d'eau à 110°C. Après le séchage, on effectue un calandrage à 130°C. Le produit a un poids de 104 g/m et contient 10 % en poids de fibre de polymère. A des fins de comparaison, du papier Kraft du même 35 poids est produit par le même procédé, mais sans utilisation de fibre de polymère. COPY 72 15503 8 2135573 Avec fibre de polymère Sans fibre de polymère Résistance au déchirement à l'état humide (liEN 1760) 159 g 102 g 5 Résistance à l'éclatement à l'état humide (NEN 1765) 0,4 kg/cm2 0,2 kg/cm2 (NEN = Norme hollandaise) EXEMPLE II On utilise la même matière fibrillée que dans 10 l'exemple I. On forme des fibre,s. discontinues à partir de ce • réseau en le coupant en morceaux de 10 mm de longueur,, On prépare une suspension aqueuse qui contient 2 70 en poids de fibres, dont une moitié est constituée par la fibre discontinue ci-dessus et l'autre moitié par de la fibre de 15 cellulose (pâte mécanique au sulfate)» A partir de cette suspension, du papier Kraft de 104 g/cm2 est formé de la manière usuelle» Le séchage et le calandrage sont effectués comme indiqué dans l'exemple I» 20 produit par le même procédé mais sans utilisation de fibre de polymère (en conséquence, la suspension contient 2 fâ en poids de fibre de cellulose). A des fins de comparaison, du papier Kraft est Avec fibre de polymère Sans fibre de polymère 25 Résistance au déchirement à l'état humide (NEN 1760) 365 g 102 g Résistance à l'éclatement à l'état humide (NEN 1765) 1,5 kg/cm2 p 0,2 kg/cm COPY 15503 9 2135573 HBTBroiCAIIOHS Un procédé pour la production de papier à partir de fibres de cellulose et de fibres d'un polymère tiiermoplastique synthétique, caractérisé en ce que (a) les fibres de polymère utilisées sont des fibres obtenues par fibrillation d'une pellicule stratifiée étirée à froid comprenant deux couches ou plus de composition polymère différente ; (b) ces fibres sont incorporées dans le papier dans des directions au hasard ; et (c) le papier est soumis à un traitement thermique à une température au-dessus'-du point de fusion du polymère ayant le plus bas point de fusion et au-dessous du point de fusion du polymère ayant le point de fusion le plus élevé. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement thermique (c) est effectué sous pression. Un procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les fibres de polymère sont utilisées dans une quantité comprise entre 5 et 75 i° en poids, par rapport au poids total du papier. Un procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les fibres de polymère sous la forme de fibres discontinues sont ajoutées aux fibres de cellulose avant que la feuille de papier mouillée soit formée. Un procédé selon la revendication 4» caractérisé en ce que les fibres discontinues ont une longueur de 5 à 15 mm. Un procédé selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les fibres de polymère sont utilisées dans une quantité comprise entre 20 et 75 $ en poids, par rapport au poids total du papier. Un procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les fibres de polymère sous la forme d'un réseau ou d'une nappe sont introduites entre des feuilles de papier mouillées formées à partir de fibres de cellulose. f. copy 72 15503 10 2135573 8. Un procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fibres de polymère sont utilisées dans une quan tité eomprise entre 5 et 40 $ en poids par rapport au poids total du papier. 5 9, Un procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la pellicule stratifiée est formée à partir de polypropylène et de polyéthylène, en particulier de polyéthylène à basse densité. 10. Un procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce 10 qu'une couche de la pellieule stratifiée est formée à partir d'un mélange de 95 à 60 parties en poids de poly propylène et de 5 à 40 parties en poids de polyéthylène et qu'une autre couche est formée à partir d'un mélange de 95 à 60 parties en poids de polyéthylène et de 5 à 15 40 parties en poids de polypropylène. 11. Un procédé selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le traitement thermique (c) est effectué à une température de 130 à 140°C environ. 12. le papier obtenu par un procédé selon l'une des reven-20 dications 1 à 11,