Brevet FR2459845A1 — publié le 19810116

L'invention se rapporte à des filaments d'une résistance à la traction et d'un module élevés et à un procédé de fabrication de filaments moyennant le filage d'une solution d'un polymère linéaire à haut poids mo- léculaire et l'étirage des filaments. Les filaments peuvent être préparés en fi- lant des polymères linéaires. On met alors un polymère approprié en l'état liquide (masse fondue, solution) et on le file. Les chaînes moléculaires indifféremment orientées dans le filament formé sont orientées ensui- te, au moyen d'un étirage, dans le sens longitudinal du filament. Les macromolécules en forme de chatne constituent une importante condition pour le filage en filaments bien que d'autres matières peuvent également être filables. Des branchements exercent une influence défavorable sur la formation de filaments et les pro- priétés mécaniques. Pour la préparation de filaments on part, par conséquent, d'une quantité aussi grande que possible de polymères linéaires, bien qu'un certain degré de branchement ne puisse être évité le plus sou- vent et qu'il soit aussi admissible. La méthode la plus économique et la plus appliquée pour la préparation de filaments est le fi- lage à chaud, c'est-à-dire du polymère fondu est filé en filaments. Le filage à chaud de polyéthylène li- néaire et d'autres polymères est connu en soi. Le matériau à filer doit, à cet effet, être fusible et être stable à l'état fondu. La viscosité de la masse fondue doit permettre une vitesse de filage raisonna- ble. La filabilité d'un polymère fusible diminue avec l'augmentation du poids moléculaire. Les polymères dont le point de fusion est supérieur à la température de décomposition ou qui sont peu stables à l'état fondu sont filés le plus souvent à partir d'une solution. Lors du filage d'une solution, eV on peut introduire les filaments dans une cellule à air chaud, filage à sec, ou dans un bain de précipita- tion ou de refroidissement, filaae humide. Dans le bain de refroidissement, on peut enlever le solvant par lavage. Pour le filage à sec, on fait passer le plus souvent de l'air chaud à travers la cellule à air chaud pour évaporer entièrement ou en majeure par- tie le solvant du filament. La température dans la cellule est - du moins sur une partie de celle-ci - inférieure au point de fusion du polymère. La résis- tance mécanique des filaments, qui est encore très faible à la sortie de l'ouverture de filage, augmente dans la cellule, mais reste relativement faible. La résistance des filaments augmente à la suite de l'éti- rage suivant, qui constitue un des traitements ulté- rieurs les plus importants de filaments filés. A l'état non étiré, les filaments possèdent une grande transformabilité, c'est-à-dire un petit module, à la suite de l'orientation faible ou même absente des chaînes moléculaires du polymère linéaire. L'étira- ge fait que les macromolécules sont orientés dans le sens longitudinal et que la résistance et le module des filaments augmentent. Les filaments filés doivent en général être étirés à une température supérieure à la température de vitrification Tg du polymère. D'autre part, l'éti- rage doit- se faire de préférence au-dessous du point de fusion du polymère parce que, au-dessus de cette température, la mobilité des macromolécules devient rapidement tellement grande que l'orientation désirée ne puisse être réalisée ou seulement dans une mesure insuffisante. Il est le plus souvent à recommander d'effectuer l'étirage à une température du moins in- férieure de 101C au point de fusion. Il faut tenir compte du dégagement de chaleur intermoléculaire à la suite de l'étirage des filaments. Les vitesses d'éti- rage étant élevées, la température dans les filaments peut alors fortement monter et il faut veiller à ce qu'elle n'approche trop du point de fusion ou qu'elle le dépasse. Toutefois, la résistance des filaments éti- rés reste en beaucoup de cas très inférieure aux va- leurs qu'on pourrait attendre théoriquement. Beaucoup de tentatives ont été déjà faites pour fabriquer des filaments dont la résistance à la traction et le module s'approchent mieux des possibi- lités théoriques. Ces tentatives, dont un compte-rendu a été donné dans les publications de Juyn dans Plastica 31 (1978) pages 262-270 et de Bigg dans Polymer Eng. Sci. 16 (1976) pages 725 - 734, n'ont pas donné de ré- sultats satisfaisants. Le module ou la résistance à la traction laissent souvent encore à désirer ou bien il y a des difficultés techniques ou économiques qui rendent les procédés proposés peu intéressants. No- tamment, comme il ressort de l'article de Juyn, les vitesses du processus sont basses. Des tentatives pour fabriquer des filaments de polyéthylène avec une résistance et un module éle- vés ont été décrites entre autres dans les demandes de brevet néerlandaises nos 74.02956 et 74.13069, qui se rapportent au filage à chaud de polyéthylène avec un poids moléculaire moyen en poids de moins de 300.000. Conformément à la demande de brevet néerlandais no. 76.12315 de la même demanderesse, on peut traiter aussi du polyéthylène ayant un poids moléculaire plus élevé jusqu'à 2.000.000. Les exemples ne donnent une descrip- tion que de l'étirage extrêmement lent d'échantillons en forme d'haltère de polyéthylène, fabriqués par com- pression et ayant un poids moléculaire de tout au plus 800.000 dans un dynamomètre de traction Instron ou bien de l'étirage de filaments d'un polyéthylène d'un poids moléculaire (ô) de 312.000 ou moins, qui sont filés à partir de la masse fondue. La demande de brevet néerlandaise no. 65.01248 donne une description de la fabrication de filaments de polymères thermosensibles moyennant le filage de solutions de ceux-ci. Conformément à cette demande, les polymères thermosensibles sont du polyé- thylène ou du polypropylène ayant un poids moléculaire tellement élevé qu'ils ne se fondent pas sans se dé- composer en large mesure. Les filaments, fabriqués par le filage d'une solution de, par exemple, un polyé- thylène d'un poids moléculaire de 1 à 3 millions, sont enroulés. Rien n'est communiqué au sujet de la méthode d'étirage (rapports d'étirage, vitesses d'étirage, etc.) aussi peu que de la résistance finale. Les fils en- roulés doivent d'abord être soumis à un traitement de lavage compliqué. Lors du lavage des fils enroulés pris en masse, il se produit un retrait qui donne lieu à des étirages fort divergents dans le fil enroulé et même à la rupture. La demande de brevet néerlandaise no. 76.05370 donne une description d'un procédé permettant de fabriquer des filaments de polyéthylène ayant des propriétés mécaniques très élevées, en particulier une résistance à la traction et un module élevés. Toutefois, la vitesse de production est inférieure à 1 m/min et ce procédé ne permet pas de production économique. Or, la présente invention a pour objet un procédé économique-de fabrication de filaments avec un module et une résistance élevés d'un polymère linéaire, en particulier de polyéthylène. Conformément à l'invention, on peut fabriquer 24S9845 des filaments ayant une résistance à la traction et un module élevés en filant une solution d'un polyéthy- lène linéaire avec un poids moléculaire moyen en poids (_w) d'au moins 4 x 105 et de préférence d'au moins 8 x 105 et en étirant les filaments obtenus avec un rapport d'étirage qui est del2xlO 1au minimum, à une température telle que les W filaments ob- tiennent, au rapport d'étirage choisi, un module d'au moins 20 GPa. Par module on entend ici la tension qui est nécessaire à réaliser une unité de déformation. La déformation peut être une modification de la longueur (module de Young), une torsion ou un déplacement ou bien un changement du volume. Le module est mesuré ici aux filaments à une température de 230C sur un dynamo- mètre de traction Instron. La longueur de serrage des échantillons était de 15 cm et'la vitesse du test était de 10 cm/min. Les valeurs de module mentionnées ci- dessous sont les modules de départ. Les solutions d'un polyéthylène linéaire à poids moléculaire élevé ( > 4 x 105) contiennent en général du moins 1 et tout au plus 50% en poids de polyéthylène. Les solutions avec des concentrations inférieures à 1% en poids peuvent être filées, il est vrai, mais le filage de ces solutions ne procure en général pas d'avantages bien qu'il puisse parfois être favorable, pour un polyéthylène d'un poids spécifique très élevé, de traiter des solutions ayant des concen- trations de moins de 1% en poids. Par le polyéthylène linéaire à poids molé- culaire élevé, on entend ici du polyéthylène qui peut contenir des quantités négligeables, de préférence tout au plus 5% mol d'un ou de plusieurs autres alcènes copolymérisables avec le polyéthylène, comme propylène, butylène, pentène, hexène, 4-méthylpentène, octène, etc., avec moins de 1 chaîne latérale par 100 atomes de car- bone, et de préférence avec moins de 1 chaîne latérale par 300 atomes de carbone, et avec un poids moléculaire moyen en poids d'au moins 4 x 105, de préférence d'au moins 8 x 105. Le polyéthylène peut contenir des quan- tités négligeables,-de préférence 25% en poids au maxi- mum, d'un ou de plusieurs autres polymères, en particu- lier un polymère d'alcène-1, comme le polypropylène, le polybutylène ou un copolymère de-propylène avec des quantités négligeables d'éthylène. Les filaments filés par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention sont traités suivant les mé- thodes usuelles. On peut les introduire dans une cel- lule à air chaud par laquelle on fait passer de l'air chaud et dans laquelle le solvant est évaporé entière- ment ou en partie. En outre, le solvant peut être en- levé entièrement ou en partie des filaments par lavage ou bien par évaporation dans une zone après la cellule. Les filaments dont le solvant est enlevé entièrement ou en majeure partie par lavage ou par évaporation, c'est- à-dire que les filaments contiennent en général moins de 25% en poids et de préférence moins de 10% en poids de solvant, sont alors fortement étirés. Les filaments sortant de la filière peuvent être introduits dans un espace o ils sont refroidis - sans évaporation considérable du solvant - jusqu'à ce qu'il se forme un filament en forme d'un gel et ce filament-ci peut être étiré.- Pour l'étirage de filaments contenant un solvant, il est préférable d'évaporer ou d'enlever par lavage le solvant des filaments dans la mesure du possi- ble pendant l'étirage, bien qu'on puisse l'enlever éga- lement après l'étirage. On a constaté que le module et la résistance à la traction augmentent avec l'augmentation du rapport d'étirage. L'augmentation du rapport d'étirage ne peut être illimitée parce que les rapports d'étirage trop élevés comportent la rupture. Il est facile de déterminer expérimentalement le rapport d'étirage auquel il se produit si fréquemment une rupture des filaments que la continuité de la pro- duction soit dérangée de façon inadmissible. On a également constaté que le présent pro- cédé permet d'appliquer des rapports d'étirage inhabi- tuellement élevés. De préférence, le rapport d'étirage est de 14 x 10 + 1 au minimum et plus particulièrement R de 18 x 106 -_ + 1. w Les rapports d'étirage élevés peuvent être obtenus selon le présent procédé en utilisant des vi- tesses d'étirage élevées. La vitesse d'étirage est la différence entre la vitesse de départ (du cylindre-éti- reur) et la vitesse d'adduction (du cylindre alimenteur) par unité de zone d'étirage et elle est exprimée en sec- 1. Ainsi, la vitesse d'étirage dans le présent procédé peut être de 0,5 sec.-1 et même de 1 sec.^ ou plus. Pour obtenir les valeurs élevées exigées du module, l'étirage doit se faire à une température infé- rieure au point de fusion du polyéthylène. La tempéra- ture d'étirage est en général de 1350C au maximum. L'é- tirage effectué à une température inférieure à 750C ne donne pas de résultats satisfaisants et c'est pourquoi la température d'étirage doit être de 750C au minimum. L'étirage peut être effectué en une ou plu- sieurs étapes. Non seulement la résistance et le mo- dule augmentent lors de l'étirage mais également le point de fusion et la cristallinité. Par conséquent, la température d'étirage peut être augmentée pas à pas lors de l'étirage en plusieurs étapes, de sorte qu'on puisse atteindre des-rapports d'étirage plus élevés et ainsi des propriétés mécaniques améliorées. Il s'est avéré que plus le poids moléculaire est élevé, plus les modules réalisables et plus en par- ticulier les résistances à la traction réalisables aug- mentent. C'est pourquoi on traite de préférence un polyéthylène ayant un poids moléculaire (FI.) d'au moins 8 x 105. Plus le poids moléculaire du polyéthylène est élevé, plus il est difficile à transformer. La so- lution dans un solvant approprié prend beaucoup de temps et les solutions ayant la même concentration de- viennent plus visqueuses de sorte que les vitesse-s de filage réalisables diminuent, et que, lors de l'étirage, la rupture se produit plus tôt. Pour cette raison on n'utilise généralement pas de polyéthylène ayant des poids moléculaires (V) supérieurs à 15 x 10, bien que le présent procédé soit bien réalisable avec des poids moléculaires plus élevés. Les poids moléculaires moyens en poids (Rtw) peuvent être déterminés selon les méthodes connues moyennant chromatographie à perméation de gel ou dispersion de lumière. Le choix du solvant n'est pas critique. On peut utiliser tout solvant approprié, comme des hydro- carbures halogénés ou non. Dans la plupart des solvants, le polyéthylène n'est soluble qu'à des températures d'au moins 901C. Pour les procédés de filage usuels, l'es- pace dans lequel les filaments sont filés, est soumis à la pression atmosphérique. C'est pourquoi les solvants à bas point d'ébullition sont moins désirés parce qu'ils peuvent évaporer des filaments si vite qu'ils feront fonctions plus ou moins d'agents moussants et qu'ils dérangent la structure des filaments. Lors du filage, la température de la solution est de préférence d'au moins 1000C et plus particuliè- rement d'au moins 120WC et le point d'ébullition du solvant est de préférence d'au moins 1000C et plus par- ticulièrement il est au moins égal à la température du filage. Le point d'ébullition du solvant ne doit pas être tellement élevé qu'il soit difficile d'évaporer le solvant à partir des filaments. Des solvants appro- priés sont: hydrocarbures aliphatiques, cyclo-alipha- tiques et aromatiques, avec des points d'ébullition d'au moins 1000C, comme nonane, octane, décane ou iso- mères de ceux-ci et hydrocarbures droits ou ramifiés, fractions-d'huile naturelle avec des trajets d'ébulli- tion supérieurs à 100'C, toluènes ou xylènes, naphta- lène, des dérivés hydrogénés de ceux-ci, comme tétra- line, décaline, mais aussi des hydrocarbures halogénés et d'autres solvants connus. Vu le bas prix de revient, on préférera le plus souvent des hydrocarbures non-subs- titués, parmi lesquels aussi les dérivés hydrogénés d'hydrocarbures aromatiques. La température du filage et la température de la dissolution ne doivent pas être si élevés qu'il se produise une décomposition thermique considérable du polymère. C'est pourquoi on ne choisira pas ces tempé- ratures en général au-dessus de-2400C. On a fait la constatation surprenante que le présent procédé permet de fabriquer des filaments dont le module et la résistance sont plus élevés que ceux obtenus par le filage à chaud d'un polymère semblable, en appliquant dans la mesure du possible les mêmes con- ditions d'étirage, par exemple la même température d'étirage et la même vitesse d'étirage. Dans les procédés usuels pour le filage de- solutions, les diamètres des ouvertures des filières sont le plus souvent faibles. En général, les diamè- tres sont de 0,02 - 1,0 mm. Surtout quand on utilise de petites ouvertures de filage ( 0,2 mm) il s'avè- re que le processus de filage est très sensible aux im- puretés se trouvant dans la solution de filage, de sorte qu'on doive la libérer soigneusement d'impuretés solides et la maintenir exempte de celles-ci. Sur les filières, on applique le plus souvent des filtres. Néanmoins,il s'avère que les filières doivent être nettoyées après peu de temps et que des obstructions se présentent encore à plusieurs reprises. Le présent procédé permet l'emploi de plus grandes ouvertures de filage, de plus de 0,2 mm, par exemple de 0,5-2,0 mm ou plus, parce que les rapports d'étirage peuvent être grands et qu'on utilise en outre de basses concentra- tions de polymère dans la solution de filage. Les filaments selon l'invention conviennent à plusieurs applications. On peut les utiliser comme renforcement dans toutes sortes de matériaux dont le renforcement avec des fibres ou des filaments est con- nu, pour fils de pneu et pour toutes les applications pour lesquelles un poids faible accompagné d'une ré- sistance élevé est désiré, par exemple, corde, filets, toiles filtrantes, etc. Le cas échéant, on peut appliquer, dans ou- sur les filaments, des quantités négligeables, en par- ticulier des quantités de 0,1 - 10% en poids calculées par rapport au polymère, d'additifs usuels, de sta- bilisants, d'agents de traitement de fibres, de ma- tières colorantes et pareils. L'invention sera expliquée ci-après à l'ai- de des exemples ci-dessous sans qu'elle y soit limitée. Exemples I - III Un polyéthylène linéaire à poids moléculaire élevé avec un _ -i 1,5 x 106 est dissous dans de la décaline à une température de 1450C jusqu'à ce qu'on obtienne une solution à 2% en poids. Cette solution est filée à une température de 1300C, en la faisant passer par une filière, dont l'ouverture a un diamètre de 0,5 mm, à travers une cellule à air chaud. I. Dans une série d'essais on n'a pas soufflé d'air à travers la cellule à air chaud. Le filament est seule- ment refroidi dans la cellule de sorte qu'on obtienne dans cette cellule un filament en forme de gel qui con- tient encore plus de 90% de solvant. Ce filament est étiré dans un four d'étirage d'une longueur de 1 m et maintenu à une température de 1200C. La vitesse d'é- tirage est de 1 sec.-1 environ. Le rapport d'étirage est varié entre 2 environ et plus de 30. On détermine le module et le rapport d'étirage des filaments qui sont étirés avec différents rapports d'étirage. Les valeurs du module et du rapport d'étirage sont repré- sentés aux figures 1 et 2 par de petits cercles (O), le module respectivement la résistance à la traction étant exprimé en GPa est pointé sur l'ordonnée et le rapport d'étirage sur l'abscisse. II. Dans une série d'essais on a soufflé de l'air chauffé à 600C à travers la cellule à air chaud. Le filament sortant de la cellule contient encore 6% en poids de solvant et il est étiré de façon analogue à celle reproduite dans l'exemple I. Les valeurs du module (ordonnée) et le rapport d'étirage (abscisse) sont représentés aux figures 1 et 2 par des points pleins (a). III. Dans une série d'essais on souffle de l'air chauffé à 600C à travers la cellule à air chaud. Le filament sortant de la cellule est conduit à travers un bain de méthanol dans lequel le solvant est enlevé du filament par lavage. Puis le filament est étiré de la façon indiquée dans l'exemple I. Les valeurs du module et du rapport d'étirage sont représentées aux figures 1 et 2 par des triangles pleins (ô). Exemples IV - V Un polyéthylène linéaire à poids moléculaire élevé avec un MN ^1,0 x 106 est dissous à 1451C dans de la décaline jusqu'à l'obtention d'une solution à 3% en poids. La solution est filée à 1300C par une ouver- ture de filage d'un diamètre de 0,5 mm dans-une cellule à air chaud. IV. Conformément à l'exemple 1, le filament est seule- ment refroidi dans la cellule à air chaud. Le filament en forme de gel, contenant plus de 90% de solvant, est étiré dans deux séries d'essais, de la façon décrite dans l'exemple I, à des températures de 930C et de 1061C. Un effort d'exécuter une troisième série d'es- sais à une température d'étirage de 1421C a échoué par suite du fait que le filament se fondait en continu et que, par conséquent, il se produisait une rupture. V. On souffle de l'air chauffé à 600C à travers la cellule à air chaud. Le filament qui sort de cette cellule contient encore environ 6% en poids de solvant. On fait trois séries d'essais. Les filaments sont étirés à des températures de 930C, 1061C et 1420C. On détermine les modules et les résistances à la traction des filaments qui sont étirés, selon les exemples IV et V, avec des rapports d'étirage divergents de 2 jusqu'à plus de 40. Aux figures 3 et 4, les modu- les respectivement les résistances à la traction en GPa sont pointés sur l'ordonnée contre les rapports d'étirage (abscisse). Les valeurs mesurées à des filaments en for- me de gel étirés à 930C sont représentées par de pe- tits cercles (O). Les valeurs mesurées aux filaments en for- me de gel étirés à 1061C sont représentées par des triangles ouverts (L). * Les valeurs mesurées à des filaments à peu près secs, mesurés à 930C, sont représentées par des points pleins (O). Les valeurs mesurées à des filaments à peu près secs (c'est-à-dire contenant environ 6% en poids de solvant), étirés à 1060C, sont représentées par des triangles pleins ( A). Les valeurs mesurées à des filaments à peu près secs, étirés à 1421C, sont représentées par des points demi-pleins (@). A une température d'étirage de 1421C, il est impossible d'atteindre un module de 20 GPa et par conséquent la valeur de la résistance à la traction res- te considérablement inférieure à 1 GPa. Exemple VI. Un polyéthylène A, ayant un poids moléculai- re r ^. 1,5 x 106 est dissous à 1450C dans de la déca- line jusqu'à l'obtention d'une solution de 2% en poids et puis filé selon l'exemple II et étiré avec des rap- ports d'étirage divergents. Les modules respectivement les résistances à la traction mesurés en GPa sont pointés à l'ordonnée à la figure 5 respectivement à la figure 6 contre les rapports d'étirage représentés sur l'abscisse par des points demi-pleins (O). Exemple VII. On répète l'exemple VI avec un polyéthylène B ayant un poids moléculaire M - 8 x 105, qui est dissous dans de la décaline jusqu'à l'obtention d'une solution de 4% en poids. Les modules et les résistances à la traction mesurés sont représentés à la figure 5 respectivement à la figure 6 par de petits cercles ( O). Exemple VIII. On répète l'exemple VI avec un polyéthylène C ayant un poids moléculaire N i 600.000, qui -est dissous dans de la décaline jusqu'à l'obtention d'une solution de 8% en poids. Les résistances à la traction et les modules mesurés sont représentés à la figure 5 respectivement à la figure 6 par des points pleins (e). Exemple IX. On répète l'exemple VI avec un polyéthylène ayant un poids moléculaire MW C 4 x 10 6, qui est dis- sous dans de la décaline jusqu'à l'obtention d'une so- lution à 1% en poids. On mesure les résistances à la traction et les modules des filaments, étirés avec des rapports d'étirage divergents, et on les pointe l'un contre l'autre sur l'ordonnée respectivement l'abscisse. La relation est reproduite par la courbe IX à la figure 7. Les résistances à la traction et les modules des filaments étirés selon les exemples V et VI sont représentés par les courbes V et VI à la figure 7. Exemples de comparaison A et B. Selon le procédé de l'exemple II, on file des filaments à partir d'un polyéthylène ayant un Rq. de 280.000 et à partir d'un polyéthylène ayant un 7 de 60.000, de solutions de 20 respectivement de 50% en poids dans de la décaline. La relation entre le module et la résistance à la traction est représentée à la figure 7 par la courbe A pour le polyéthylène a- yant un f de 280.000 et par la courbe B pour le polyéthylène ayant un 1 de 60.000. La figure 7 indique que, si le poids molé- culaire diminue, une résistance à la traction de 1 GPa n'est obtenue qu'à un module toujours plus élevé et par conséquent à un rapport d'étirage plus élevé et qu'à la longue elle ne peut plus être réalisée du tout. REVENDICATIONS 1) Procédé de préparation de filaments ayant une résistance à la traction et un module élevés, en filant une solution d'un polymère linéaire à poids moléculaire élevé et en étirant ces filaments, carac- térisé en ce qu'on file une solution d'un polyéthy- lène linéaire ayant un poids moléculaire moyen en poids N - 4 x 105 et qu'on étire les filaments avec un rapport d'étirage qui est de 12 y 10 + 1 au mini- mum, à une température d'étirage w telle qu'en cas du rapport d'étirage choisi, le module des fila- ments soit de 20 GPa au minimum. 2) Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le rapport d'étirage est de 14 x 10 + 1 au minimum. M 3) Procédé selon la revendication 2, caracté- 18 x 10 6 risé en ce que le rapport d'étirage est de + 1 au minimum. M 4) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on applique un polyéthy- lène linéaire ayant un poids moléculaire moyen en poids de 8 x 105 au minimum. ) Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la vitesse d'étirage est de 0,5 sec. au minimum. 6) Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on étire les filaments à des températures situées entre 75 - 135WC. 7) Filaments fabriqués par la mise en oeuvre du procédé de l'une ou de l'autre des revendications précédentes.