Brevet FR2651785A1 — publié le 19910315

La présente invention concerne les alliages renfermant essentiellement un copolymère éthylène alcool vinylique (EVOH) et un polypropylene (PP) pour des applications qui nécessitent des propriétés de perméabilité aux gaz et des propriétés méca- niques compatibles avec la préparation d'emballage, par exemple film monocouche, multicouche, barquette, réservoir etc... Les technologies de mise en oeuvre de ces alliages sont celles habituellement employées, par exemple: extrusion couchage, extrusion soufflage, coextrusion, thermoformage, orientation et autres. Pour la préparation d'emballage, lorsque les perméabilités aux gaz doivent être très faibles, on a recours à des polymères dont les propriétés barrière aux gaz sont très performantes. L'EVOH est reconnu comme un excellent matériau à cet égard; cependant, ce copolymère présente un certain nombre d'inconvénients dont sa faible aptitude à la transformation à haute température en comparaison avec les polymères thermo- plastiques, tels que polyéthylene et polypropylene, couramment employés dans le domaine de l'emballage. Il présente également une rigidité et une fragilité à l'état solide telles que, par exemple, transformé sous forme de film, ses propriétés de perméabilité aux gaz ne résistent pas à des flexions répétées qui occasionnent des fissurations. En outre, sa faible aptitude à la transformation ne lui permet pas de supporter des modifications de géométrie qui sont courantes aux thermoplastiques telle que l'orientation ou le thermoformage. L'invention est relative aux compositions constituées essentiellement d' un EVOH et d' un PP. La composition majoritaire en EVOH de l'alliage se caractérise par le fait que la matrice ou phase dispersante est 1'EVOH. Le PP est dispersé sous forme de nodules plus ou moins sphériques. 2 2651785 L'adhésion entre les phases est assurée par un copolymère greffé à base d'a-mono-oléfine appelé agent compatibilisant décrit dans la demande de brevet français n 88 03877 et représenté par la formule: Aa Mb Xc Pd dans laquelle: - AaMb correspond au (co)polymère-tronc; - XcPd correspond à des polymères greffés sur le (co)polymère-tronc; - A est un motif dérivé d'une a-mono-oléfine contenant de 2 à 8 atomes de carbone, et de préférence un motif dérivé de propylène; - M est choisi dans le groupe constitué par: les motifs dérivés d'une a-mono-oléfine contenant de 2 à 8 atomes de carbone, et de préférence dérivés d'éthylène, les motifs dérivés de plusieurs a-mono-oléfines telles que définies précédemment, qui peuvent être simplement mélangées ensemble ou être copolymérisées de façon statistique ou séquencées, et de préférence dont l'une des a-mono- oléfines est l'éthylène, les motifs dérivés d'un monomère pouvant être polymérisé avec une des a-mono-oléfines telles que définies précédemment, par exemple un acrylate d'alkyle, - Les motifs A et M qui constituent ledit (co)polymère- tronc sont copolymérisés de façon statistique ou séquencés ou sont simplement mélangés; - X est un motif dérivé d'un monomère pouvant être greffé radicalairement sur un homo ou copolymère d'a-mono- oléfine et possédant une fonction pouvant réagir avec un motif amine; - P provient d'un oligomère de polyamide de formule: 0 R5 H2N---CH2)f-C C-NH-(CH2)f - C- \ R6 dans laquelle: - f est un nombre de 3 à 11, - g est un nombre de 3 à 80 et de préférence compris entre 15 et 55, 3 2651785 - R5 est l'hydrogène ou un groupement alkyle linéaire ou ramifié contenant jusqu'à 20 atomes de carbone, - R6 est un groupement possédant jusqu'à 20 atomes de carbone alkyle ou alcényle linéaire ou ramifié, un radical cy- cloaliphatique, saturé ou non, un radical aromatique ou leur combinaison, - a, b, c, et d sont des nombres tels que: a est une valeur variant de 0 à 5000 et de préférence entre 350 et 2000, la somme a + b est comprise entre 350 et 45000 et de préférence entre 500 et 10000, c est choisi de telle sorte que la teneur pondérale du motif greffé sur le (co)polymère- tronc par rapport au copolymère greffé avec X est compris entre 500 ppm et 10 %, de préférence inférieur à 2 %, et mieux compris entre 5000 ppm et 1,5 %, d est supérieur à 0 et inférieur ou égal à c, et de préférence au moins égal à 0,3 c. Par (co)polymère-tronc de formule AaMb, dans laquelle a, b, A et M sont tels que définis précédemment, on entend tout copolymère composé de motifs A et M, dérivés de monomères polymérisés de façon statistique ou séquencée, ou éventuelle- ment tout mélange de polymères obtenus par polymérisations sé- parées de monomères dont dérivent les motifs A et M. Cette copolymérisation ou ce mélange peuvent s'effectuer selon les procédés connus. A titre d'exemple, on peut citer la copolymérisation de propylène et d'"-oléfine en présence de catalyseur ZIEGLER ou de coordination. Le monomère possédant le motif X peut répondre notamment à l'une des formules suivantes: R 0 Ri R\2 R/ H C-C C oC0 C C \ I \I // o C C 0 I / \\ \ / C C R30 O OH C C / \\ I \ \\ R2 0 R4 H O 4 2651785 dans lesquelles: R1 et R2 sont soit l'hydrogène, soit une chaîne alkyle linéaire ou ramifiée contenant jusqu'à 8 atomes de carbone, l'un au moins de ces symboles représentant l'hydrogène,. R3 est l'hydrogène ou un groupement alkyle linéaire ou ramifié contenant jusqu'à 10 atomes de carbones, R4 est un groupement alcényle linéaire ou ramifié contenant jusqu'à 12 atomes de carbone. Les monomères possédant le motif X préférés sont l'anhydride citraconique, l'acide fumarique, l'acide mésaconique, l'anhydride d'acide 3allylsuccinique, et tout particulièrement, l'anhydride maléique. 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 complète 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 saponification ou d'alcoolyse est au moins égal en moles à %, et de préférence est compris entre 54 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 essentiellement d'unité propylène. Il peut contenir de faibles quantités au plus 40 % molaire d'une autre unité monomère en particulier éthylène et/ou une ou plusieurs a oléfine contenant 4 à 6 atomes de carbone. On utilise en particulier un homopolypropylène ou un copolymère bloc 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 polypropylène et l'agent compatibilisant, on peut éventuelle- ment ajouter de faibles quantités d'autres composés du type stabilisant, agent antistatique, lubrifiant, plastifiant et d'autres composés polymériques. 2651785 Les constituants étant sous forme de poudre ou de granulés, la préparation de l'alliage est réalisée à l'état fondu en général par mélangeage au moyen d'une machine de transformation du type extrudeuse monovis ou bivis contra ou corotative ou d'un malaxeur à cylindres. Les alliages revendiqués ont en particulier une très faible perméabilité aux gaz; ils présentent de meilleures propriétés d'étirage en transformation que 1'EVOH ayant servi à la préparation de l'alliage, par exemple vis à vis du thermoformage. De plus, dans le cadre d'une application de type coextrusion, l'adhésion entre les couches polymère adhésif/matériau barrière aux gaz est nettement améliorée lorsqu'on emploie un alliage selon l'invention. La résistance à la fissuration en flexion répétée des alliages est considé- rablement améliorée par rapport à celle de 1'EVOH ayant servi à la préparation de l'alliage. Les proportions des trois principaux constituants de l'alliage sont comprises dans les fourchettes suivantes: EVOH: 42,5 - 99,5 % poids Polypropylene: 42,5 - 0,4 % poids Agent compatibilisant: 0,1 - 15,0 % poids Les autres constituants éventuellement ajoutés - ne représentent pas plus de 20 parties en poids pour 80 parties en poids de l'alliage. L'exemple suivant illustre l'invention sans toutefois la limiter. EXEMPLE: Rôle de l'agent compatibilisant et morphologie des alliages Cinq compositions sont réalisées à l'aide d'une extrudeuse double vis corotative avec les proportions des trois constituants EVOH: copolymère éthylène - acétate de vinyle hydrolysé à 32 % en mole d'éthylène d'indice de fusion (Melt Index: MI), 3,2 g/10 minutes mesuré à 210 C sous 2,16 Kg, PP: copolymère statistique éthylène - propylène à 3 % en 6 2651785 poids d'éthylène de MI 2 g/10 minutes mesuré à 230 C sous 2,16 Kg, agent compatibilisant: copolymère greffé, indiqués dans le tableau I. Ces compositions sont ensuite extrudées sous forme de film de 20 Mm d'épaisseur au moyen d'une extrudeuse monovis. Ces films sont observés par microscopie électronique à balayage (MEB) après fracture cryogénique. 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 mesurée 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. Agents compatibilisants Ce sont des copolymères greffés qui peuvent être représentés par l'expression Aa Mb Xc Pd o: 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 molé- culaire de 2700 déterminée par dosage potentio- métrique des fonctions amines terminales. 7 2651785 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 1 85 15 0 Le PP se répartit dans compa- la matrice EVOH sous ratif forme de bâtonnets cy- lindriques de 0,7 à 5 Am de section. Aucune adhésion entre phases. 2 80,75 14,25 A663M136 Le PP se répartit dans compa- X6 4 la matrice EVOH sous ratifforme de bâtonnets cy- EVOH à 29 % 5 lindriques de 0,5 à 3 pm mole d'éthy- de section. Il existe lène: 1 une faible adhésion entre phases. 3 80,75 14,25 A663M136X2,91 Le PP se répartit dans la matrice EVOH sous PO,87 5 forme de bâtonnets cy- lindriques de 0,1 à 2 Am de section. Il existe une forte adhésion entre phases 4 85,5 9,5 A663M136X2,91 Le PP se répartit dans la matrice EVOH sous PO87: 5 forme de bâtonnets cy- lindriques de 0,05 à 1,5 Am de section. Il existe une forte adhé- sion entre phases. 9,5 85,5 A663M136X2,91 L'EVOH se répartit dans compa- la matrice PP sous forme ratif P087: 5 de bâtonnets cylindri- ques de 0,1 à 2 Mm de section. Il existe une forte adhésion entre phases. Il apparait que l'absence d'agent compatibilisant conduit à une dispersion grossière du PP dans 1'EVOH. L'emploi de l'agent compatibilisant A663M136X2,91P0,87 conduit à une 8 2651785 meilleure dispersion du PP dans l'EVOH que celui du simple PP maléïsé A663M136X0,65. De plus, l'adhésion entre phases est meilleure avec l'agent compatibilisant A663M136X2,91P0,87 qu'avec A663M136X0,65. Dans tous les cas, les alliages sont constitués par une matrice EVOH sauf pour l'essai 5 qui est constitué d'une matrice PP car la proportion en PP dans cet essai est élevée. Perméabilité à l'oxyqène de films minces Des films sont préparés à partir de deux EVOH et des trois alliages décrits dans les essais 3, 4 et 5 par extrusion. La perméabilité à l'oxygène de ces films est mesurée suivant la norme ASTM D 398581. Epaisseur des films: 20 pm. ESSAIS Nature du matériau Perméabilité à l'oxygène cc. 20 um m2.jour. atm. FILMS OBTENUS PAR EXTRUSION SOUFFLAGE 0 % d'humidité relative C 6 EVOH à 44 % en mole d'éthylène 1,20 MI: 3,5 g/10 min. (210 C-2,16 Kg) 7 EVOH à 32 % en mole d'éthylène 0,2 MI: 3, 2g/10 min. (210 C-2,16 Kg) 8 Alliage de l'essai 3 0,3 FILMS OBTENUS PAR EXTRUSION CAST % d'humidité relative oC 9 Alliage de l'essai 4 2 Alliage de l'essai 5 2760 Il apparaît qu'à épaisseur égale, l'alliage de l'essai 8 présente une perméabilité voisine de celle du copolymère 9 2651785 EVOH riche en unité alcool vinylique et meilleure que celle du copolymère à plus faible teneur en unité alcool vinylique: essais 6 et 7. De plus, pour que la perméabilité à l'oxygène soit faible, il est nécessaire de préparer l'alliage avec une matrice EVOH et une phase dispersée polypropylène: essais 9 et 10. Coextrusion On obtient par coextrusion une feuille tricouche dont la structure est la suivante: PP (Copolymère statistique éthylène-propylène à 3 % en éthylène: épaisseur 0,7 mm Liant de coextrusion OREVAC 0 PP FT (copolymère éthylène-propylène à 1500 ppm d'anhydride maléique greffé): épaisseur 0,1 mm Matériau barrière aux gaz (EVOH pur ou alliage dont la composition est donnée dans le tableau II): épaisseur 0,2 mm. Ces essais ont été effectués sur un matériel de coextrusion de feuilles tricouches: - Extrudeuse Diamètre 60 mm - 28 D: PP Température: 200-210220-230 C Vitesse de vis: 40t/mn - Extrudeuse Diamètre 45 mm - 20 D: Matériau barrière aux gaz Température: 210-220-230-230 C Vitesse de vis: 14 t/mn - Extrudeuse Diamètre 30 mm - 22 D: liant Température: 195-200210-210 C Vitesse de vis: 40 t/mn - Filière: tricouches multicanaux Largeur 400 mm - Entrefer: 1,2 mm Température: 6 X 230 C - Cylindres polisseurs: Température: 55-90-90 C Ouverture: 0,95 mm Vitesse de tirage: 1,12 m/mn 2651785 L'adhérence entre les couches de liant et de matériau barrière aux gaz est mesurée par un test de pelage à mm/minute. Les résultats sont rassemblés dans le tableau II suivant: TABLEAU II Nature du matériau ADHESION EN G/CM Essais barrière aux gaz Valeur moyenne iValeurs extrêmes 11 * EVOH 2900 2600-3300 12 ** EVOH 2900 2850-3000 13 *** Alliage 3900 3800-4000 * EVOH à 44 % en mole d'éthylène - MI 210 C 2,16 kg: 3,5 ** EVOH à 32 % en mole d'éthylène - MI 210 C 2,16 kg: 3,2 *** Composition de l'alliageen poids: - EVOH à 32 % en mole d'éthylène (MI 210 C - 2,16 Kg: 3,2): 80,75 % - PP Copolymère statistique éthylène-propylène à 3 % en éthylène (MI 230 C - 2,16 Kg: 10): 14,25 % - Agent compatibilisant: A663M136X2,91P0,87: 5 % Thermoformage Les feuilles tricouches préparées par coextrusion dont la fabrication a été décrite précédemment sont thermoformées dans les conditions suivantes: Conditions communes à tous les essais - Chauffage du four supérieur: 80 C - Chauffage du four inférieur: 100 C - Chauffage du bâti: 80 C - Temps de cycle dans le moule: 15 secondes - Température du poinçon: 140 C - Temps de chauffage: 25 secondes (dans tous les cas quelque soit le rapport hauteur/diamètre) 11 2651785 - Essais effectués avec face EVOH vers le bas (= extérieur du gobelet). Mesures d'épaisseur On mesure en différents points, selon le schéma 1 annexé, l'épaisseur totale et l'épaisseur de la couche de matériau barrière au gaz. Le rapport de thermoformage est: H = 0,95 D Les mesures d'épaisseur sont rassemblées dans le tableau III. TABLEAU III | Essais 14 15 16 l Nature du EVOH EVOH Alliage Essai matériau à 44 % mole à 32 % mole 13 barrière d'éthylène d'éthylène aux gaz Epais- Epais- Epais- Epais- Epais- Epais- seur seur seur seur seur seur \totale EVOH /totale EVOH totale de l'al liage (\gm) (gin) (gin) Epais- Epais- Epais- seur seur seur point de totale totale totale mesure A 1090 0,22 délimitation 1050 0,25 B 300 0,33 des couches 410 0,22 C 270 0,14 260 0,23 D 175 0,17 le thermofor- 530 0,21 E 620 0,21 mage est 570 0,25 F 500 0,18 impossible 185 0,27 G 510 0,18 180 0,33 H 410 0,29 460 0,22 I 1090 0,23 1050 0,22 Moyenne 0,22 Moyenne 0,24 Maxi 0,33 Maxi 0,33 Mini 0,14 Mini 0,21 12 2651785 Dans le cas de 1'EVOH à 32 % en mole d'éthylène, la rigidité ne permet pas de procéder au thermoformage dans les conditions données. Pour i'EVOH à 44 % en mole d'éthylène, dont la teneur en motif alcool vinylique est plus faible que dans le cas de 1'EVOH précédent, le thermoformage est réalisé et la proportion de la couche d'EVOH par rapport à l'épaisseur totale est conservé: 0,22 au lieu de 0,20 dans la feuille initiale, mais l'épaisseur de la couche EVOH n'est pas régulière en particulier au point C pour lequel on mesure le minimum d'épaisseur, 0,14 de l'épaisseur totale. Dans le cas de l'alliage de l'essai 13, l'épaisseur la plus mince est mesurée au point D avec 0,21 de l'épaisseur totale. A partir des feuilles tricouches obtenues précédemment on réalise des thermoformages selon le schéma 2 annexé avec un rapport H = 0,55 D Les mesures d'épaisseur sont rassemblées dans le tableau IV ci-dessous: 13 2651785 TABLEAU IV Essais 17 18 f 19 Nature du EVOH EVOH Alliage Essai matériau à 44 % mole à 32 % mole 13 barrière d'éthylène d'éthylène \aux gazI au g Epais- Epais- Epais- Epais- Epais- Epais- seur seur seur seur seur seur \totale EVOH totale EVOHR totale de l'al liage (gym) (pm) (pm)/ Epais- Epais- Epais- seur seur seur point de totale totale totale mesure J 1080 0,20 délimitation 1050 0,20 K 400 0,20 des couches 480 0,21 L 140 0,71 150 0,33 M 230 0,65 le thermofor- 370 0,24 N 570 0,12 mage est 475 0,23 O 710 0,17 impossible 660 0,20 P 1070 0,20 1060 0,20 Moyenne 0,32 Moyenne 0,23 Maxi 0,71 Maxi 0,33 Mini 0,12 Mini 0,20 La rigidité de 1'EVOH à 32 % mole d'éthylène ne permet pas de procéder au thermoformage. Dans le cas de 1'EVOH à 44 % en mole d'éthylène, l'épaisseur de la couche barrière est minimum au point N:0,12 de l'épaisseur totale alors que dans le cas de l'alliage, le minimum est atteint aux points J, O et P: 0,20 de l'épaisseur totale. La perméabilité à l'oxygène des gobelets issus des essais 18 et 19 utilisant comme matériau barrière aux- gaz i'EVOH à 32 % en mole d'éthylène et l'alliage a respectivement été mesurée. De plus, un gobelet de même dimension en PP (Copolymère statistique éthylènepropylène à 3 % en éthylène) 14 2651785 a été évalué en perméabilité à l'oxygène à titre de comparaison. Les résultats obtenus sont les suivants (P02 = perméa- bilité aux gaz): - P02 Gobelet tricouche (EVOH à 32 % en mole d'éthy- lène) > 10 CC 02/jour - PO2 Gobelet tricouche (Alliage de l'essai 13) = 0, 03 CC O2/jour - PO2 Gobelet monocouche (Copolymère statistique éthylènepropylène à 3 % en éthylène) = 0,53 CC 02/jour Résistance à la flexion répétée La résistance à la fissuration du film soumis à une flexion répétée est évaluée au moyen de l'appareil décrit dans FED TEST METHOD STANDARD 101B, METHOD L017. L'essai consiste à déformer un film de 0,28 m x 0,19 m et de 20 gm d'épaisseur préalablement disposé sous forme de cylindre sur le support de l'appareil dans les conditions suivantes: Méthode 1 (20 C - Film sec) Déplacement suivant l'axe du cylindre sur 0,089 m avec mouvement simultané de rotation de 440 degrés, suivi d'un déplacement latéral de 0, 063 m et mouvement contraire; ce qui représente 1 cycle. Méthode 2 (20 C - Film sec) Déplacement suivant l'axe du cylindre sur 0, 083 m avec mouvement simultané de rotation de 400 degrés et mouvement contraire, ce qui représente un cycle. Ces mesures appliquées aux films d'EVOH à 32 % en mole 2651785 d'éthylène et d'alliage identique à celui de l'essai 13 donnent les résultats suivants: NOMBRE DE TROUS NATURE DU MATERIAU Méthode 1 Méthode 2 ESSAIS BARRIERE AUX GAZ 200 100 500 1800 cycles cycles cyc. cyc. cyc. EVOH à 32 % en 146 261 33,2 169 210 mole d'éthylène 21 Alliage de l'essai 0 5,6 0 3,2 19 16 2651785 REVENDICATIONS 1. Alliage à base de copolymère éthylène alcool vinylique à propriété barrière aux gaz caractérisé en ce qu'il est composé d'un mélange en poids de: - 42,5 à 99,5 % d'EVOH - 0,4 à 42,5 % de polypropylene - 0,1 à 15,0 % d'agent compatibilisant L'agent compatibilisant étant choisi parmi les copolymères greffés de formule AaMbXcPd dans laquelle: - AaMb correspond à un (co)polymère-tronc - XcPd correspond à des polymères greffés sur le (co)polymère-tronc A est un motif dérivé d'une a- monooléfine contenant de 2 à 8 atomes de carbone. M est choisi dans le groupe constitué par: - les motifs dérivés d'une ou plusieurs a-mono-oléfines contenant de 2 à 8 atomes de carbone. - les motifs dérivés d'un monomère pouvant être polymérisé avec une des a-monooléfines précédentes. X est un motif dérivé d'un monomère pouvant être greffé radicalairement sur un homo ou copolymère d'a-mono-oléfine et possédant une fonction pouvant réagir avec un motif aminé. P provient d'un oligomère de polyamide de formule: /R,5 H2N - (CH2)f - C[NH - (CH2)f - C]- N il 11\R6 O O0 avec: f:un nombre de 3 à 11. g:un nombre de 3 à 80. R5: hydrogène, ou groupement alkyle linéaire ou ramifié contenant jusqu'à 20 atomes de carbone. R6: un groupement possédant jusqu'à 20 atomes-de carbone alkyle ou alcényle linéaire ou ramifié, un radical aromatique ou leur combinaison. 17 2651785 a, b, c, d sont des nombres tels que: - a est une valeur variant de 0 à 5000. - la somme a + b est comprise entre 350 et 45.000. - c est choisi de telle sorte que la teneur pondérale du motif X greffé sur le (co)polymère-tronc par rapport au copolymère greffé avec X est comprise entre 500 ppm et 10 %. - d est supérieur à O et inférieur ou égal à C. 2. Alliage selon la revendication 1 caractérisé en ce que la proportion en moles d'éthylène dans 1'EVOH est compris dans l'intervalle de 3 à 75 % et de préférence de 10 à 50 %.