Brevet FR2657070A1 — publié le 19910719

FILM BARRIERE CONSTITUE D'UN ALLIAGE A BASE D'UN COPOLYMERE ETHYLENE-ALCOOL VINYLIQUE, SA PREPARATION, SON UTILISATION NOTAMMENT DANS L'EMBALLAGE La présente invention concerne le domaine des films et plus particulièrement celui des films dits "barrières" ré- sistant à l'eau chaude et à la vapeur d'eau surchauffée desti- nés à l'emballage de produits alimentaires. Afin d'assurer une conservation des produits ali- mentaires, il est nécessaire d'assurer non seulement une pro- tection contre les poussières mais également contre l'humidité, contre certains gaz tels que l'oxygène et le gaz carbonique et contre les odeurs. A cette fin on utilise des résines polymériques dénommées résines barrières qui possèdent des propriétés de perméabilité aux gaz et à la vapeur d'eau c'est-à-dire qui sont plus ou moins perméables aux gaz et à la vapeur d'eau. D'une façon générale les films sont composés de une à plusieurs couches constituées par des polymères imperméables aux gaz et des polymères imperméables à la vapeur d'eau. Ainsi, lorsque la perméabilité à l'oxygène doit être faible on a recours à des polymères dont les propriétés bar- rière à ce gaz sont très performantes tels que par exemple les copolymères éthylène alcool vinylique (EVOH) qui sont recon- nus comme d'excellents matériaux à cet égard. Si l'on veut obtenir une protection suffisante à la va- peur d'eau on emploie une couche barrière constituée par des polyoléfines telles que le polypropylène. Les exigences en imperméabilité aux gaz et à la vapeur d'eau variant d'une forme de conditionnement à l'autre, d'un produit alimentaire à l'autre on utilisera des films qui pour- ront être constitués de une à plusieurs couches de polymère ayant des propriétés de perméabilité aux gaz et à la vapeur d'eau différentes. Afin d'améliorer la qualité des produits alimentaires "frais" et d'augmenter leur durée de conservation il est nécessaire de conditionner les produits alimentaires de façon aseptique. A cette fin de nombreux procédés existent On peut citer par exemple la pasteurisation et la stérilisation. Dans ces procédés l'emballage ou le produit alimentaire emballé est soumis à l'action de l'eau chaude ( 850 C 1000 C) ou à l'action de la vapeur d'eau surchauffée pendant des temps allant de quelques secondes à plusieurs heures Dans le cas par exemple de la stérilisation la température atteint 1210 C voire 1350 C 1400 C Il est alors nécessaire que l'emballage constitué par un film ayant une ou plusieurs couches "bar- rières" résiste mécaniquement à l'action combinée de l'eau et de la température ainsi qu'également aux pressions qui peuvent atteindre 3 à 4 bars. On constate que certains films à base notamment d'EVOH subissent au moment de la stérilisation ou sous l'action de l'eau chaude des dégradations qui se manifestent par un fripage de la couche atteinte voire un délaminage total du film multicouche. On a maintenant trouvé un film ayant une résistance amé- liorée à l'eau chaude et à la vapeur d'eau surchauffée carac- térisé en ce qu'il est constitué totalement ou partiellement d'un alliage comprenant au moins un copolymère d'éthylène-al- cool vinylique (EVOH), au moins un polypropylène et au moins un agent compatibilisant. Le film selon l'invention est caractérisé en ce que l'alliage comprend au moins 30 % en poids d'EVOH Parmi ces films on donnera la préférence à ceux issus d'alliages compre- nant: 42,5 % à 99,5 % en poids d'EVOH 42,5 % à 0,4 % en poids de polypropylène 0,1 % à 15 % en poids d'agent compatibilisant. La composition en EVOH de l'alliage se caractérise par le fait que la matrice ou phase dispersante est l'EVOH Le poly- propylène est dispersé sous forme de nodules plus ou moins sphériques ou de bâtonnets cylindriques. L'adhésion entre les phases est assurée de préférence par un copolymère greffé à base d'a-monooléfine appelé agent com- patibilisant qui est décrit dans la demande de brevet européen publiée le 15 09 1989 sous le N O 342 066 et dont le contenu est incorporé par référence dans la présente. Parmi les agents compatibilisants cités dans la demande de brevet européen ci-dessus citée en référence, on donnera la préférence aux agents compatibilisants de formule AMXP: AM représente un copolymère tronc obtenu par copolymérisation de propylène et d'a-oléfines, X est choisi dans le groupe constitué par l'anhydride citraconique, l'acide fumarique, l'acide mésaconique, l'anhydride d'acide 3-allylsuccinique et l'anhydride maléique, P représente un oligomère de polyamide dérivé de capro- lactame, d'acide amino-11 undécanoique ou de dodécalactame. L'EVOH est un copolymère constitué essentiellement d'unités éthylène et alcool vinylique et peut contenir de faibles quantités d'autres unités monomères, en particulier d'unité ester de vinyle Ces copolymères peuvent être obtenus par saponification ou alcoolyse partielle ou totale de copoly- mère éthylène ester de vinyle Parmi les esters de vinyle, l'acétate de vinyle est le monomère préféré Le degré de sapo- nification ou d'alcoolyse est au moins égal en moles à 90 % et de préférence est compris entre 94 et 99,5 % La proportion en moles d'éthylène dans 1 'EVOH est comprise dans l'intervalle de 3 à 75 % et de préférence de 10 à 50 %. Le polypropylène est un polymère constitué essentielle- ment d'unité propylène Il peut contenir des quantités (au plus 40 % molaire) d'une autre unité monomère en particulier éthylène et/ou une ou plusieurs a-oléfines contenant 4 à 6 atomes de carbone On utilise en particulier un homopolypropy- lène ou un copolymère séquencé du propylène avec 0,5 à 30 % molaire d'éthylène ou un copolymère statistique de propylène et d'éthylène contenant 0,1 à 30 % molaire d'éthylène. Aux trois principaux constituants que sont 1 'EVOH, le po- lypropylène et l'agent compatibilisant, on peut éventuellement ajouter de faibles quantités d'autres composés du type stabi- lisant, agent antistatique, lubrifiant et d'autres composés polymériques. Les constituants étant sous forme de poudre ou de granu- lés, la préparation de l'alliage peut être réalisée en solu- tion o à l'état fondu au moyen d'une machine de transforma- tion de type extrudeuse monovis ou bivis contra ou corotative ou d'un mélangeur à cylindre. Les films monocouches selon l'invention sont constitués totalement en alliage. Les films multicouches sont constituées par au moins une couche en alliage, l'autre ou les autres couches sont consti- tuées de polymères choisis dans le groupe constitué notamment par le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP), le polyamide (PA), le polyéthylènetéréphtalate (PET), le polycarbonate (PC). Pour certains polymères, il est nécessaire d'utiliser un liant de coextrusion qui assure une meilleur adhésion entre les couches. Dans les films multicouches selon l'invention, la couche en alliage peut être externe ou interne. Comme exemples de films multicouches selon l'invention on peut citer les films: PP/alliage/PP PP/liant de coextrusion/alliage PP/liant de coextrusion/alliage/liant de coextrusion/PP PA/alliage. Les films selon l'invention peuvent être obtenus par ex- trusion à plat ou par extrusion soufflage à des températures comprises entre 200 WC et 260 WC. Outre les techniques de coextrusion en filière plate ou en filière annulaire, les films conformes à l'invention peu- vent être mis en oeuvre selon des techniques telles que l'extrusioncouchage et le contrecollage-lamination, cette dernière technique permettant par exemple d'associer un film et une feuille de métal tel que l'aluminium. Les films selon l'invention réalisés à partir de l'alliage présentent une résistance améliorée à l'eau chaude et à la vapeur d'eau surchauffée. Ainsi, les films monocouches ou multicouches soumis à la vapeur d'eau surchauffée à des températures comprises entre 1000 C et 1400 C, sous des pressions allant de 1 à 4 bars gar- dent leur transparence et présentent un aspect de surface pra- tiquement intact, alors que les mêmes films constitués totale- ment ou partiellement d'EVOH deviennent opaques et sont striés, déformés ou délaminés. Les films selon l'invention constitués totalement ou par- tiellement de l'alliage peuvent entrer dans l'élaboration de divers emballages et tous particulièrement ils peuvent être utilisés pour confectionner des sachets, des enveloppes souples, des barquettes, des pots, pour le conditionnement des produits alimentaires. Les films conformes à l'invention peuvent également être utilisés pour la confection de membranes utilisées dans le do- maine médical, dans les techniques telles que l'hémodialyse ou la plasmaphorése. Les exemples suivants illustrent l'invention. Essais 1 à 5 a/ Cinq compositions sont réalisées à l'aide d'une ex- trudeuse double vis corotative avec les proportions des constituants: EVOH: copolymère éthylène-acétate de vinyle hydrolysé à 99,3 % contenant 32 % en mole d'éthylène d'indice de fusion (Melt Index: MI) 3,2 g/10 minutes mesuré à 2100 C sous 2,16 kg, PP: copolymère statistique éthylènepropylène à 3 % en poids d'éthylène de MI 2 g/10 minutes mesuré à 2300 C sous 2,16 kg, agent compatibilisant: copolymère greffé comme indiqué dans le Tableau I, préparé selon l'exemple 1 de la de- mande de brevet européen NO O 342 066. Dans ce tableau: A est un motif dérivé du propylène M est un motif dérivé de l'éthylène X est un motif dérivé de l'anhydride maléique P est un oligomère de caprolactame de masse moléculaire de 2700 déterminée par dosage potentiométrique des fonctions amines terminales. b/ Ces compositions sont ensuite extrudées sous forme de film de 20 Mm d'épaisseur au moyen d'une extrudeuse monovis à une température allant de 2100 C à 2300 C. Ces films sont observés par microscopie électronique à balayage (MEB) après fracture cryogénique (Voir Tableau I) 6 2657070 Du fait de l'orientation due à l'extrusion du film, la phase dispersée se présente sous forme de bâtonnets orientés dans le sens de l'extrusion: la taille des bâtonnets est me- surée sur les fractures après dissolution dans du xylène de la phase dispersée. L'évaluation de l'adhésion entre phases est faite sur les fractures de façon qualitative. TABLEAU I COMPOSITION DE L'ALLIAGE OBSERVATION AU MEB DE (% en poids) L'ALLIAGE EN FILM DE gm D'EPAISSEUR ESSAIS EVOH PP AGENT COMPATI- BILISANT ,75 14,25 EVOH à 29 % mole d'éthy- lène: 1 ,75 14,25 A 663 M 136 X 2,91 ,5 9,5 A 663 M 136 X 2,91 ,5 A 663 M 136 X 2,91 Le PP se répartit dans la matrice EVOH sous forme de bâtonnets cy- lindriques de 0,7 à 5 pm de section Aucune adhésion entre phases. Le PP se répartit dans la matrice EVOH sous forme de bâtonnets cy- lindriques de 0,5 à 3 pm de section Il existe une faible adhésion entre phases. Le PP se répartit dans la matrice EVOH sous forme de bâtonnets cy- lindriques de 0,1 à 2 gm de section Il existe une forte adhésion entre phases Le PP se répartit dans la matrice EVOH sous forme de bâtonnets cy- lindriques de 0,05 à 1,5 gm de section Il existe une forte adhé- sion entre phases. L'EVOH se répartit dans la matrice PP sous forme de bâtonnets cylindri- ques de 0,1 à 2 An de section Il existe une forte adhésion entre phases. o O compa- ratif compa- ratif compa- ratif P 0,87: P 0,87: 9,5 P 0,87: A 663 m 136 Xo, 65: c/ Résistance à l'eau chaude de films monocouches 1/ Composition des films Exemple 1 (Comparatif) Composition du film monocouche: 100 % de copolymère d'éthylène-alcool vinylique à 32 % d'éthylène (Melt Index: 3,2 g/10 minutes mesuré à 210 C sous 2,16 kg) Exemple 2 Composition du film monocouche selon l'invention: % de l'alliage ayant la composition en poids suivante: ò EVOH de l'exemple 1: 80,75 % PP: copolymère statistique éthylène-propylène à 3 % en éthylène (MI: 10 230 C/2,16 kg): 14,25 % agent compatibilisant A 663 M 136 X 2,91 P 0,87: 5 % Exemple 3 (MI: 3,5 210/2,16 kg). Exemple 4 Composition du film monocouche selon l'invention: % de l'alliage ayant la composition en poids suivante: EVOH de l'exemple 3: 80,75 % polypropylène de l'exemple 2: 14,25 % agent compatibilisant de l'exemple 2: 5 % Exemple 5 Film ayant la composition du film de l'exemple 2, mais obtenu par extrusion-soufflage. 2/ Conditions des essais de tenue de l'eau chaude Les films sont tendus dans un cadre de diapositive puis sont immergés 30 minutes dans un bain d'eau distillée thermostaté et légèrement agité par un barreau magnétique. Appréciation des résultats A la fin de l'essai, l'aspect et la transparence des films sont évalués selon la classification arbitraire ci- après: Aspect: A: inchangé Transparence B: strié De 1: inchangé C: fripé à D: troué 4: opaque Ainsi un film d'aspect inchangé et opaque sera classé A 4. Les résultats sont consignés dans le Tableau II Température de l'eau us 1 bar) 800 C 900 C 95 C EXEMPLESS 1 (Comparatif) A 1 D 4 D 4 2 A 1 B 3 C 3 3 (Comparatif) Ai 1 A D 4 4 Ai A 2 B 2 Ai 1 A A 2 TABLEAU II Les films monocouches selon l'invention exemples 2, 4 et 5 présentent une meilleure tenue à l'eau chaude que les films monocouches à base d'EVOH exemples 1 et 3 Les meilleurs résultats sont obtenus avec l'alliage à base d'EVOH contenant 32 % en mole d'éthylène (exemple 5). d/ Résistance à la vapeur d'eau surchauffée (stérilisa- tion) 1/ Composition des films Exemple 6 (comparatif) Composition du film monocouche: idem exemple 1. Exemple 7 Composition du film monocouche: idem exemple 2. 2/ Conditions des essais de tenue à la vapeur d'eau surchauffée Les essais réalisés à une température égale ou supé- rieure à 1000 C ont été effectuées dans un autoclave. Les films, tendus dans un cadre en inox ( 5 X 5 cm) sont disposés dans l'autoclave et soumis pendant 30 minutes aux conditions de l'essai qui peuvent se faire soit en vapeur saturante, soit dans l'eau surchauffée. Dans le cas ou l'essai est réalisé avec de l'eau sur- chauffée l'eau est préchauffée dans un réservoir annexe à l'autoclave puis introduit rapidement dans l'autoclave au moyen d'un dispositif prévu à cet effet. Les pressions dans le cas des essais réalisés avec de la vapeur d'eau surchauffée vont de 1 à 3 bars. Appréciations des résultats On utilise la classification arbitraire mentionnée précé- demment pour les essais de tenue à l'eau chaude. Résultats Température de la vapeur d'eau surchauffée: 1200 C Exemple 6 (comparatif) D 4 Exemple 7 Bl e/ Résistance à la vapeur d'eau surchauffée de films trois couches 1/ Composition des films On obtient par coextrusion soufflage des films trois couches dont la composition et les épaisseurs sont rassemblées dans le Tableau III. EXEMPLES 8 9 DES COUCHESS Couche 1: Copolymère X 40 pm 40 Mm Couche 2: EVOH de l'exemple 3 10 An Couche 2: Alliage de l'exemple 2 10 pim Couche 3: Copolymère X 40 gmi 40 pmi TABLEAU III Dans ce Tableau, Copolymère X désigne un liant de coex- trusion (copolymère propylène-éthylène greffé anhydride ma- léique). Ces essais ont été effectués sur un matériel de coextru- sion soufflage trois couches. 2/ Conditions de coextrusion extrudeuse 1 (copolymère X) température: 210 C 230 C vitesse de vis: 132 tr/mn extrudeuse 2 (copolymère X) température: 210 C 230 C vitesse de vis: 122 tr/mn extrudeuse 3 (alliage ou EVOH) température: 210 C 230 C filière: diamètre: 150 mm taux de gonflage: 8,12 température: 2200 C vitesse de tirage: 8,83 m/mm Les résultats sont rassemblés dans le Tableau IV. Température de la vapeur EXEMPLES eau surhauffée 120 C 133 C 8 A 4 A 4 9 A 2 A 3 TABLEAU IV f/ Résistance à la vapeur d'eau surchauffée de films cinq couches 1/ Composition des films On obtient par coextrusion à plat des films cinq couches dont la composition et les épaisseurs sont rassemblées dans le tableau V. EXEMPLES il 12 COMPOSITION DES COUCHES Couche 1: PP 75 Mm 50 pm 50 pm Couche 2: liant de coextrusion 20 pm 10 Am 10 Am Couche 3: alliage de l'Exemple 2 20 Lm 10 pm Couche 3: EVOH à 38 % en 10 Am mole d'éthylène Couche 4: liant de coextrusion 20 pm 10 pm 10)m Couche 5: PP 75 pm 50 m 50 m TABLEAU V 2/ Conditions de coextrusion Ces essais ont été effectués sur un matériel de coextrusion cinq couches. extrudeuse (PP) température: 200 C 245 C extrudeuse (liant de coextrusion) température: 220 C 245 C extrudeuse (EVOH ou alliage) température: 215 C 245 C filière entrefer: 0,7 mm largeur 2 m température: 250 C Les résultats sont rassemblés dans le Tableau VI. TEMPERATURE DE LA VAPEUR O C D'EAU SURCHAUFFEE 13 EXEMPLES A 1 11 A 1 12 C 4 TABLEAU VI R E V E N D I C A T I ONS 1 Film caractérisé en ce qu'il est constitué totalement ou partiellement d'un alliage comprenant au moins un copolymère éthylène-alcool vinylique (EVOH), au moins un polypropylène et au moins un agent compatibilisant. 2 Film selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage comprend au moins 30 % en poids d'EVOH. 3 Film selon la revendication i ou 2, caractérisé en ce que l'alliage comprend: 42,5 % à 99,5 % en poids d'EVOH 0,2 % à 42,5 % en poids de polypropylène 0,1 % à 15 % en poids d'agent compatibilisant 4 Film selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que l'agent compatiblisant est choisi parmi les copolymères greffés de formule AMXP dans laquelle: AM représente un copolymère tronc obtenu par copo- lymérisation de propylène et d'a oléfines, X est choisi dans le groupe constitué par l'anhydride citraconique, l'acide fumarique, l'acide mésaco- nique, l'anhydride d'acide 3-allylsuccinique et l'anhydride ma- léique, P représente un oligomère de polyamide dérivé de caprolactame, d'acide amino-il undécanoïque ou de dodécalac- tame. Film selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la proportion en moles d'éthylène dans 1 'EVOH est comprise dans l'intervalle 3 % à 75 % et de préfé- rence de 10 % à 50 %. 6 Film multicouches comprenant au moins une couche constituée par un alliage tel que décrit dans la revendica- tion 1. 7 Film multicouches selon la revendication 6 dans lequel l'autre ou les autres couches sont constituées de polymères choisis dans le groupe constitué par le polyéthylène, le poly- propylène, le polyamide, le polyéthylènetéréphtalate, le poly- carbonate. 8 Utilisation d'un film selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 7 comme matériau d'emballage. 9 Utilisation d'un film selon la revendication 8 pour l'emballage des produits alimentaires. Matériaux et articles emballés au moyen du film selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.