Brevet FR2269410A1 — publié le 19751128

La présente invention concerne le domaine de l'extension longitudinale drune pellicule thermoplastique et plus particulièrement un procédé dtextension longitudinale d'une pellicule thermoplastique pour en réduire l1-épaisseur avec une diminution minimale de la largeur. L'extension longitudinale d'une pellicule. thermoplastique est une opération commerciale importante dans l'industrie des matières plastiques. Elle est utilisée pour réduire ltépais- seur de. la pellicule et souvent pour orienter aussi la pellicule dans le sens longitudinal ou nsens machine". Dans un procédé par ticulier, une pellicule de grande longueur passe autour d'un rouleau d'avance mené qui tourne à une vitesse prédéterminée et elle passe ensuite autour d'un second rouleau qui est entraîné à une vitesse périphérique supérieure à celle du premier. La longueur libre de la feuille entre les deux rouleaux est allongée par la traction exercée sur la pellicule en raison de la différence entre les vitesses périphériques desl deux rouleaux.Il est courant de désigner le premier rouleau par rouleau lent et le second par rouleau rapide. On connaft en pratique de nombreux procédés différents pour allonger une pellicule thermoplastique dans le sens longitudinal. Par exemple, selon le brevet des Etats-Unis d'amérique NO 2 767 435, plusieurs rouleaux fous très rapprochés sont interposés entre le rouleau lent et le rouleau rapide. le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 351 697 est analogue au brevet NO 2 767 435 précité, excepté que les rouleaux fous sont de petit diamètre.Ces deux brevets visent la solution d1un problème particulier, c'est-à-dire pallier la tendance de la pellicule à subir un îtresserrementllexcessif et irrégulier (ctest-à-dire une diminution de largeur) pendant qu'elle est allongée dans le sens longitudinal. Un autre brevet, le brevet des Etats-Unis d'Amérique ND 3 214 503, décrit un procédé d'extension longitudinale d'une pellicule de polypropylène isotactique, dans lequel les rouleaux rapide et lent comprennent deux rouleaux tournant en sens contraire présentant un petit écartement entre eux. l'expression petit écartement" signifie une distance comprise entre quelques centimètres et une fraction de centimètre. le petit écartement est utilisé pour obtenir un étirage important dans le but d'améliorer les propriétés de la pellicule dans la direction perpendiculaire à l'axe d'orientation. (Cette direction perpendiculaire est souvent désignée par sens transversal). Ainsi, ce brevet s'attaque à un aotre problème qui se pose lorsqu'une pellicule thermoplastique est allongée dans le sens longitudinal, à savoir lteffet nuisible d'un tel allongement sur les propriétés de la pellicule dans le sens transversal. D'autres brevets décrivant des procédés d'extension longitudinale dXune pellicule thermoplastique comprennent les brevets des Etats-Unis d'Amérique NO 2 586 820 et NO 3 619 460. L'extension longitudinale n'est pas le seul type de procédé qui peut être utilisé pour assurer une diminution de l'épaisseur d'une pellicule thermoplastique préformée. Par exemple, il est possible d'utiliser un laminage à cet effet, comme décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique NO Re 27 404, NO 3 504 075 et NO 3 194 863; dans lesquels le perfectionnement réside dans l'utilisation d'un film lubrifiant dans la zone de serrage des rouleaux de compression. Toutefois, le procédé décrit dans le brevet des Stats-Unis d'Amérique NO Re 27 404 précité présente certains inconvénients.Premièrement, il est difficile d'obtenir un film lubrifiant uniforme. Deuxièmement, le lubrifiant doit être enlevé dans la plupart des cas, ce qui augmente les frais qu'entraîne le procédé. Troisièmement, ltappareillage utilisé pour obtenir les grandes forces compressives nécessaires est coûteux. Et quatrièmement, le procédé peut ne pas convenir pour des polymères hautement amorphes tels que le polystyrène. le laminage peut être utilisé pour assurer une orientation, selon la nature de la pellicule et la température à laquelle celleci est laminée. Chaque polymère thermoplastique présente à une température donnée quelconque un "rapport d'étirage naturel" qui est essentiellement constant. Par "rapport d'étirage, on entend le rapport de l'épaisseur initiale d'une pellicule de ce polymère à l'épaisseur à l'état étiré de la pellicule après extension. Avec les procédés antérieurs d'extension, si lton tente d'obtenir une diminution d'épaisseur très différente de celle requise par le rapport d'étirage naturel à cette température, le produit obtenu est très irrégulier. le produit allongé présente une épaisseur ou une largeur irrégulière ou les deux. Très peu de possibilités sont offertes meme en faisant varier la température.En pratique, cela signifie que pour une pellicule de matière de départ d'une épaisseur donnée, il n'est possible d'obtenir par extension qu'un produit d'une seule épaisseur. Par conséquent, lorsqu'on désire obtenir des produits d'épaisseurs différentes, il faut utiliser des matières de départ d'épaisseurs différentes. la présente invention concerne un nouveau procédé d'extension longitudinale d'une pellicule thermoplastique. Ce procédé a notamment l1avantage de résoudre certains des problèmes décrits plus haut. Premièrement, le procédé assure une extension longitudinale et une réduction d'épaisseur avec un minimum de diminution de la largeur. Deuxièmement, il est possible d'obtenir une grande plage d'épaisseurs de produit à partir d'une matière de départ dXune seule épaisseur. Troisièmement, contrairement au laminage, la réduction de ltépaisseur est obtenue avec des forces compressives relativement faibles. Et quatrièmement, certaines propriétés dans le sens transversal sont améliorées. En particulier, les conditions opératoires sont beaucoup moins limitées lorsqu'il s'agit d'orienter ultérieurement la pellicule dans le sens transversal. le procédé de ltinvention consiste faire passer une bande continue mobile d'une pellicule thermoplastique ayant une épaisseur et une largeur initiales dans la zone de serrage de deux rouleaux espacés tournant en sens contraire, comprenant un premier rouleau et un second rouleau, le second rouleau tournant à une vitesse telle que sa vitesse circonférentielle est supérieure à celle du premier rouleau et la distance comprise entre les rouleaux dans la zone de serrage étant inférieure à 1' épaisseur initiale. Comme on lta indiqué plus haut, le procédé selon l'in vention a l'avantage de faciliter une orientation ultérieure dans le sens transversal de la pellicule qui a été orientée longitudinalement par le présent procédé, du fait des plus grandes possibilités de sélection des conditions de traitement. Bien que l'on ne désire pas y être limité, on présume que la raison de ce succès est la suivante Afin d'obtenir un produit uniforme, l'orientation doit être effectuée dans des conditions assurant une réaction stable de la pellicule à l'effort d'allongement. En termes plus mathématiques ou techniques, l'orientation doit être effectuée dans des conditions dans lesquelles la pente de la courbe effort/déformation est positive.Pour toute pellicule thermoplastique donnée, il existe trois paramètres principaux qui ont une influence relativement grande sur la pente de la courbe effort/déformation pendant l'allongement. Premièrement, la pente de cette courbe augmente avec le degré d'orientation. Cela signifie que plus le degré d'orientation est grand, plus l'effort ou force dtallongement nécessaire est important pour obtenir un degré donné de déformation ou d'allongement. Par suite, la sensibilité de la réaction de la pellicule à une variation de la force d'allongement ou d'extension est moins grande. les deux autres paramètres principaux qui influencent la courbe effort/déformation sont l'accélération de la vitesse d'allongement et le gradient de température. Une accélération de la vitesse d'allongement assure ltobtention d'une meilleure stabilité (ou une augmentation de la pente de la courbe effort/ déformation). Un abaissement de la température pendant l'allongement provoque une augmentation de la pente de la courbe effort/ déformation. Lorsqu'unie pellicule thermoplastique est allongée dans le sens machine par le procédé de l'invention, la force d1al- longement tend également à provoquer une diminution à la fois de l'épaisseur et de la largeur. Bie-n que la pellicule puisse subir une réduction d'épaisseur, le frottement exercé sur la pellicule par le resserrement de la zone de serrage tend à s'opposer à une diminution de la largeur. Cette résistance provoque une orientation légère mais significative de la pellicule dans le sens transversal.Cette légère orientation dans le sens transversal provoque une augmentation de la pente de la courbe effort/ déformation, comme décrit plus haut en offrant ainsi plus de possibilité dans le choix de la vitesse d'allongement et de la température lors d'une opération ultérieure d'orientation dans le sens transversal. le procédé de l'invention a l'avantage supplémentaire que la pression provoquée par le resserrement de la zone de serrage tend à empêcher le développement de défauts naissants, en particulier de très petites fissures qui, d'une façon générale, sont alignées dans le sens machine. Par suite, une pellicule qui a été soumise au traitement selon l'invention tend à présenter moins de défauts et à subir moins de défaillances pendant le traitement ultérieur, en particulier lors d'une orientation ultérieure dans le sens transversal. l'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique est un schéma en coupe verticale de deux rouleaux espacés tournant en sens contraire destinés à mettre en oeuvre le procédé de l'invention. Belon un mode préféré de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on utilise deux rouleaux espacés tournant en sens contraire comme ceux représentés schématiquement sur le dessin. En se référant maintenant au dessin, une bande continue d'une pellicule thermoplastique 10 (cette pellicule pouvant être désignée par "matière de départ" ayant une épaisseur t1 (l'épaisseur de la pellicule est exagérée sur le dessin pour plus de clarté) est avancée dans le sens de la flèche a vers le premier rouleau 12 d'un groupe de deux rouleaux tournant en sens contraire. le premier rouleau 12 tourne à une vitesse périphérique Si. Comme on le voit sur le dessin, la pellicule 10 passe autour du premier rouleau 12 jusqu'à la zone de serrage 14 entre les premier et second rouleaux 12 et 16 respectivement. les premier et second rouleaux 12 et 16 sont maintenus à une distance d l'un de autre, cette distance d étant inférieure à t1 ; (la distance d est la hau- teur de la zone de serrage 14). Le second rouleau 16 tourne à une vitesse périphérique S2 qui est plus rapide que la vitesse S1 du premier rouleau. La bande mobile de la pellicule 10 est allongée dans la zone de serrage 14 entre les deux rouleaux 12 et 16. Cet allongement diminue l'épaisseur de la pellicule 10 à la valeur finale t2. Après le passage de la pellicule 10 dans la zone de serrage 14 entre les deux rouleaux 12 et 16, elle est enlevée du second rouleau 16 et enroulée sous forme d'une bobine (non représentée). La distance d comprise entre les rouleaux 12 et 16 est inférieure à l'épaisseur t1 de la matière de départ. Cette distance d est de préférence inférieure à la moitié de l'épaisseur t1 de la matière de départ. les avantages de l'invention sont obtenus à mesure que le rapport t1/d augmente. La vitesse périphérique S2 du second rouleau 16 est plus grande que la vitesse périphérique Si du premier rouleau 12 et est avantageusement au moins 1,5 fois et de préférence au moins 2 fois supérieure à la vitesse du premier rouleau 12. La différence de vitesse maximale qui peut être utilisée dépend en partie de paramètres tels que la nature de la pellicule (c'està-dire le point où se produit la fibrillation de la pellicule) et la diminution de l'épaisseur de la pellicule que l'on désire. En règle générale, il est rare que la différence entre les vitesses des deux rouleaux soit supérieure à un facteur d'environ 8 à 9. L'invention s'applique à des pellicules de polymères thermoplastiques. Des exemples de polymères thermoplastiques qui peuvent eAtre utilisés seuls ou en mélange comprennent des polycléfines telles que le polyéthylène de grande densité et de faible densité, le polypropylène, le polybutène-1, le polystyrène, des copolymères non réticulés de styrène et de butadiène et le polyisobutylène ; le poly(oxyde d'éthylène) et des copolymères d'oxyde d'éthylène avec des monomères copolymérisables tels que l'oxyde de propylène ; des polymères acryliques tels que le poly(méthacrylate de méthyle) et le poly(acrylate d'éthyle) des copolymères d'éthylène et d'un ou plusieurs monomères copoly mérisables tels que le propylène, 11 acétate de vinyle, l'acide acrylique, l'acrylate d'éthyle, le méthacrylate de méthyle et le chlorure de vinyle ; des polymères vinyliques tels que les homopolymères et copolymères de chlorure de vinyle, d'acétate de vinyle et de chlorure de vinylidène ; des polyuréthannes tels que les polymères linéaires produits en faisant réagir le poly (adipate d'éthylène) avec le butanediol et le bis(4-isocyanato- phényl)-méthane ; des polycarbonates ; des polysulfones ; le polyformaldéhyde ; des polyesters tels que le poly(téréphtalate d'éthylène), etc. Pendant que la pellicule thermoplastique se trouve dans la zone de serrage, elle doit être maintenue à une température à laquelle se produit un allongement et habituellement, mais facultativement, une orientation. Comme on le sait en pratique, la plage de températures qui peut être appliquée pour l'opération d'allongement est relativement grande et ces températures sont connues en pratique ou peuvent entre facilement déterminées par les spécialistes pour chaque' pellicule thermoplastique, qu'elle se compose d'un seul polymère ou d'un mélange de polymères.Bien que la température d'allongement puisse entre théoriquement une température quelconque comprise entre la température de transition à l'état vitreux du polymère thermoplastique et le point de fusion ou de ramollissement des cristaux, la température choisie est normalement un peu inférieure au point de ramollissement, par exemple entre environ 5 et 2O0C au-dessous du point de ramollissement. les points de ramollissement approximatifs de certains polymères thermoplastiques préférés sont donnés ci-après Polymère Point de ramollissement app-roximatif, OC Poly(oxyde d'éthylène) 65 Polyéthylène de faible densité 98 Polyéthylène de grande densité 135 Polyoxyméthylène 185 Polypropylène 165 Copolymère de chlorure de vinylidène 195 Poly(acétate de vinyle) 175 Poly( téréphtalate d'éthylène) 255 Polystyrène (syndiotactique) 105-110 Poly(chlorure de vinyle) non plastifié 212 Ply(méthacrylate de méthyle) 160 Polycarbonate 230 Lorsqu'on utilise des mélanges de polymères, la température choisie est habituellement une température de compromis qui dépend du point de ramollissement de chaque élément.Dans presque tous les cas où un mélange de polymères est utilisé, la temperature agallongement est supérieure à la température de transition à l'état vitreux de chaque polymère présent en une quantité importante dans le mélange. Une température de départ raisonnable est légèrement supérieure à la température de transition à l'état vitreux la plus élevée des polymères du mélange et la température est progressivement élevée jusqu'à ce qu'on atteigne le degré désiré d'allongement et d'orientation. les moyens permettant de maintenir la pellicule à la température appropriée pendant qu'elle se trouve dans la zone de serrage sont connus en pratique. A titre illustratif, lorsqu'une pellicule préformée est utilisée comme matière de départ, elle peut être maintenue au contact d'une grande partie de la périphérie du rouleau lent, comme représenté sur le dessin, tout en maintenant ce rouleau lent à une température suffisante pour que la pellicule soit portée à la température d'allongement désirée. En variante, la pellicule peut être soit extrudée, soit formée d'une autre manière directement sur le rouleau lent et dans ce cas, ce rouleau lent est maintenu à une température telle que la pellicule soit refroidie à la température désirée d'allon gement lorsqu'elle entre dans la zone de serrage.En tout cas, la pellicule thermoplastique est à l'état solide à une température inférieure au point de fusion de ses cristaux lorsqu'elle entre dans la zone de serrage comprise entre les rouleaux lent et rapide. Il est préférable que la pellicule soit supportée par les deux rouleaux, comme on le voit sur le dessin. Bien qu'il soit possible de faire passer par exemple une pellicule en ligne droite dans la zone de serrage sans qu'elle soit supportée par l'un ou l'autre rouleau, ce mode opératoire ne permet de tirer profit de l'invention que dans une mesure moindre. le traitement de la pellicule après qu'elle a été soumise au procédé de l'invention est déterminé dans une certaine mesure-par la nature de la pellicule. Il suffit que les polymères hautement cristallins tels que le polyéthylène de grande densité soient refroidis avant d'être enroulés. Etant donné que des polymères amorphes tels que le polystyrène ont fortement tendance à reprendre leurs dimensions initiales après l'orientation, ils doivent être refroidis à une température stable et il faut prendre des précautions pour empêcher un retrait linéaire avant lten- roulement. Naturellement, ces considérations sont bien connues des spécialistes et il est possible d'utiliser des dispositifs classiques pour pallier ces inconvénients. les exemples suivants sont donnés à titre illustratif mais non limitatif de l'invention. Exemple 1 On allonge dans le sens machine sur un groupe de deux rouleaux tournant en sens contraire, comme celui représenté sur le dessin, une bande d'une pellicule de poly(oxyde d'éthylène) d'une épaisseur de 0,14 mm présentant un poids moléculaire d'environ 600 000 (comme déterminé par une mesure rhéologique). On effectue plusieurs essais en utilisant pour chacun d'eux une hauteur différente de la zone de serrage entre les deux rouleaux. le tableau I ci-après donne les conditions appliquées pour chaque essai et le tableau il donne les propriétés représentatives des pellicules allongées obtenues de chaque essai. TABLEAU I Conditions d'essai et résultats pour l'exemple 1 Essai N 1 2 3 4 Largeur initiale, cm 35,6 35,6 35,6 35,6 Largeur finale, cm 32,7 33,2 33,5 33,5 Epaisseur initiale, mm 0,14 0,14 0,14 0,14 Epaisseur finale, mm 0,02 0,01816 0,1829 0,01956 Rouleau lent, température C 59 59 59 59 Rouleau rapide, température C 57 57 57 57 Vitesse du rouleau lent, m/mn 0,6 0,6 0,6 0,6 Vitesse du rouleau rapide, m/mn 3,66 3,66 3,66 3,66 Hauteur de la zone de serrage, mm 2,03 1,016 0,127 entre 0,05 et 0,076 Force de séparation, kg* 0 0 0 113 *Le système indiquant la force pour le groupe de deux cylindres est conçu pour une charge maximale de 113 400 kg ; la préoision du système est de # 227 kg. TABLEAU II Propriétés physiques de l'échartillon de l'exemple 1 Essi N 1 2 3 4 Matière Hauteur de la zone de serrage, mm de 2,03 1,016 0,127 0,05-0,076 Propriétés dans le sens machine départ Résistance à la traction, kg/cm 117,6 1225 1232 1229,7 1220,3 Allongement % 752 62 64 59 62 Limite élastique, kg/cm 80,5 pas de pas de pas de pas de plasticité plasticité plasticité plasticité Allongement à la limite 10 Module sécant d'élasticité, 2310 6246,3 5980,3 6136,6 6001,3 kg/cm Epaisseur moyenne, miorons 137,2 20,3 18,3 18,5 18,8 Propriétés dans le sens transversal Résistance à la traction, kg/cm 121,1 149,8 153,7 150,5 153,3 Allongement, % 816 836 690 754 796 Limite élastique, kg/cm 90,3 149,8 153,7 150,5 153,3 Allongement à la limite 11 5 7 8 8 élastique, % Module sécant d'élasticité, 3059 7350 7210 7140 6748 kg/cm Epeisseur moyenne, microns 139,7 20,6 18,03 18,03 20,3 Tariation globale de l'épaisseur, -- 25,4-34,3 22,9-31,75 22,9-29,2 22,9-26,7 miorons* *Une plus grande épaisseur apparaît le long des bords à cause de la formation de bourrelets, ce qui est une caractéristique du phénomène de "resserrement" La pellicule produite par l'essai NO 4 est uniformément limpide et transparente. Après un étirage dans les conditions indiquées pour essai NO 4, on a agrandi la zone de serrage à 0,254-0,335 mm pendant l'opération. lors de l'agrandissement de la zone de serrage, il s'est produit un resserrement léger mais perceptible et il s'est formé dans la pellicule des lignes troubles orientées généralement dans le sens transversal.Une proportion d'environ 85 à 90 46 de la pellicule est recouverte par ces lignes troubles. L'état trouble indique un étirage irrégulier. Pour obtenir une pellicule transparente par le procédé antérieur d'étirage utilisant une zone de serrage, il fallait étirer la pellicule de poly(oxyde d'éthylène) de l'exemple 1 à son "rapport d'étirage naturel" qui est compris entre 8:1 et 9:1. Exemple 2 On allonge une bande d'une feuille de poly(oxyde d'éthylène) d'une épaisseur de 0,25-mm (poids moléculaire d'environ 600 000) de la même manière que dans l'exemple 1. le tableau III ci-après donne les conditions utilisées pour l'allongement et le tableau IV donne les propriétés représentatives des pellicules allongées ainsi que les propriétés représentatives d'une pellicule analogue de poly(oxyde d'éthylène) qui a été allongée par un procédé classique d'étirage en utilisant un rapport de 6:1. TABlEAU III Conditions d'essai et résultats de l'exemple 2 Essai N 1 2 largeur initiale, cm 25,4 25,4 largeur finale, cm 25,08 25,08 Epaisseur initiale, microns 254 254 Epaisseur finale, microns 130,3 93,2 Température du rouleau lent, oc 59 59 Température du rouleau rapide, OC 58 58 Vitesse du rouleau lent, m/mn 1 1,83 1 ,31 Vitesse du rouleau rapide, m/mn 3,38 3,66 l'auteur de la zone de serrage, mm 0,127 0,076 Force de séparation, kg* 907 3402 *le système indicateur de force pour la calandre à deux rou leau est conçu pour une charge maximale de 113 400 kg. La précision du système est de + 227 kg. TABLEAU IV Propriétés physiques des échantillons de l'example 2 Matière Exemple 2 Etirage classique de départ Essai N de l'échantillon N 3 Propriétés dans le sens 1 2 machine Résistance à la traction, 102,7 459 753,4 1092 kg/cm Allongement % 682 134 68 64 Limite élastique, kg/cm 91 pas de pas de plastioité plasticité pas de plasticité Allongement à la limite 15 Module sécant d'élasticité, 2781,3 3775,3 5280,3 3689 kg/cm Epaisseur moyenne, niorons 254,5 127,8 92,2 53,3 Propriétés dans le sens traneversal Résistance à la traction, 124,6 168,7 156,1 137,9 kg/cm Allongement % 770 936 708 862 Limite élastique, kg/cm 105 149,1 156,1 137,9 Allongement à la limite 14 14 11 8 élastique, % Module sécant d'élasticité, 3486 5138 6517 5726 kg/cm Epaisseur moyenne, miorons 254 132,8 94,2 38,1 Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé dgallongement dans le sens machine d'une bande continue mobile d'une pellicule thermoplastique ayant une épaisseur et une largeur initiales de manière à obtenir une réduction de l'épaisseur initiale avec une diminution minimale de la largeur, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à faire passer la bande mobile dans la zone de serrage de deux rouleaux espacés tournant en sens contraire comprenant des premier et second rouleaux, le second rouleau tournant à une vitesse telle que sa vitesse circonférentielle est supérieure à celle du premier rouleau, la distance comprise entre les rouleaux dans la zone de serrage étant inférieure à 11 épaisseur initiale. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bande mobile est supportée par le premier rouleau avant d'entrer dans la zone de serrage. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la bande mobile est supportée par le second rouleau après avoir quitté la zone de serrage. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la vitesse circonférentielle du second rouleau est au moins 1,5 fois supérieure à celle du premier rouleau. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la vitesse circonférentielle du second rouleau est au moins 2 fois supérieure à celle du premier rouleau. 6. Procédé selon la revendication 3 ou 5, caractérisé en ce que la distance comprise entre les rouleaux dans la zone de serrage est inférieure à la moitié de ltépaisseur initiale. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3, 5 et 6, caractérisé en ce que la pellicule thermoplastique se compose de l'un au moins des éléments du groupe comprenant le polyéthylène de grande densité, le polyéthylène-de faible densité, le polypropylène, le polystyrène, des copolymères d'éthylène, le poly(oxyde d:éthylène), des polymères de chlorure de vinylidène et des polymères de chlorure de vinyle. 8. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la température de la pellicule est maintenue entre environ 50 et 200C au-dessous du point de ramollissement du polymère thermoplastique qui la constitue pendant qu'elle se trouve dans la zone de serrage.