Brevet FR2772387A1 — publié le 19990618

PROCEDE DE PREPARATION D'UNE COMPOSITION THERMOPLASTIQUE A BASE DE POLYOLEFINES, COMPOSITION OBTENUE ET APPLICATION A LA FABRICATION D'OBJETS A TROIS DIMENSIONS L'invention concerne un procédé de préparation d'une composition thermoplastique à base de polyoléfines pour la fabrication d'objets à trois dimensions, en particulier conditionnements ou emballages à parois de faible épaisseur, notamment pour produits alimentaires. Elle vise tout particulièrement des compositions à base de polypropylènes destinées à être thermoformées. Le pourcentage de conditionnements ou emballages de produits alimentaires fabriqués par thermoformage de polyoléfines, en particulier de polypropylènes, est actuellement de tordre de 20% et croit fortement chaque année, ceci pour la raison essentielle que ces matières sont facilement recyclables. Ces conditionnements ou emballages sont généralement palettisés et une de leurs premières qualités est de bénéficier d'une résistance à l'écrasement entre les deux faces porteuses (Re) qui soit suffisante pour éviter un endommagement de l'emballage ou du conditionnement. Ainsi, cette résistance minimale à l'écrasement est une spécification qui conditionne la quantité de matière à mettre en oeuvre et, donc, le prix du conditionnement et son poids P. Des taxes parafiscales fonction du poids sont appliquées sur ces produits dans la plupart des pays pour financer leur recyclage et on comprend que le ratio Re/P constitue le paramètre critique sur lequel porte l'effort de recherche des industries du conditionnement. Il est connu dans le domaine des matières thermoplastiques que l'incorporation d'une charge minérale peut abaisser le prix de revient de la matière et augmenter le module d'élasticité en flexion de celle-ci. Par exemple, le brevet EP-0 353 991 décrit l'incorporation dans un polypropylène d'une charge minérale telle que carbonate ou sulfate de calcium, talc, mica. . . dans une proportion pondérale de 50% à 80%. Toutefois, ce type d'incorporation conduit à une augmentation très sensible du poids de l'emballage car la très importante augmentation de densité due à l'ajout du composé minéral ajouté (par exemple densité moyenne d'un polypropylène pur : 0, 9, densité moyenne des charges minérales précitées : 2,8) n'est pas compensée, et de loin, par l'augmentation du module d'élasticité en flexion de La matière obtenue ; si l'on travaille à résistance à l'écrasement constante, le poids de l'objet terminé est nettement plus élevé, de sorte que dans la plupart des pays, le montant des taxes de recyclage fait perdre tout intérêt à l'incorporation de telles charges (le gain obtenu sur la quantité de polypropylène étant inférieur à l'accroissement des coûts dûs aux taxes) . Pour ces raisons, les industriels ont renoncé à incorporer des charges minérales dans les polyoléfines destinées à la fabrication des conditionnements ou emballages ; les seuls produits ajoutés (en très faible proportion de l'ordre de 1%) sont des produits fonctionnels tels que pigments (dioxyde de titane), agents antistatiques (monostéarate de glycérol) ou autres additifs. Il convient de souligner que certaines compositions thermoplastiques sont destinées à la réalisation de feuilles par calandrage et ne posent évidemment pas le problème de résistance à l'écrasement des objets à trois dimensions sus-visés. Par exemple, le brevet FR-2 358 439 décrit l'incorporation d'un pourcentage pondéral compris entre 10% et 60%, préférentiellement 15% à 45%, de farine d'ardoise, dolomie, barytine, carbonate de calcium, kaolin, gypse ou talc, dans un polypropylène destiné au calandrage de feuilles. D'après ce document antérieur, l'ajout de ces pourcentages élevés de charges minérales faciliterait le calandrage. Par ailleurs, dans certaines applications particulières, par exemple pour rendre déchirable un film en polypropylène (brevet EP-0 659 815), il est ajouté une charge minérale (talc, carbonate de calcium, silice, argile, terres diatomées...) à la matière thermoplastique destinée à former le film par calandrage ; cette charge réduit la force nécessaire pour obtenir la déchirure du film à partir d'une entaille. La présente invention se propose de préparer une composition thermoplastique à base de polyoléfines en vue de la fabrication d'un objet à trois dimensions, en particulier un objet à parois de faible épaisseur (c'est-à-dire inférieure à 2,5 mm), ladite composition permettant d'accroître le rapport Re/P de l'objet (Re : résistance à l'écrasement entre deux faces de celui-ci ; P : poids de l'objet) par rapport aux objets réalisés à partir des compositions thermoplastiques actuellement connues. Un objet de l'invention est ainsi, à résistance à l'écrasement Re constante, de réduire significativement le poids de l'objet et donc le montant des taxes de recyclage et son coût propre de fabrication (moindre quantité de matière totale, moindre quantité de polyoléfines dont une fraction est remplacée par un matériau moins cher). Un autre objectif est de fournir une composition thermoplastique susceptible d'être mise en oeuvre par thermoformage en bénéficiant de gains significatifs de productivité. A cet effet, le procédé de préparation de la composition thermoplastique à base de polyoléfines conforme à l'invention se caractérise en ce que l'on incorpore aux polyoléfines du talc en pourcentage pondéral sensiblement compris entre 5% et 30%, se présentant sous la forme d'une poudre d'indice de lamellarité supérieur ou égal à 1,3 et de répartition granulométrique telle que le diamètre de coupure Dg5 soit inférieur ou égal à 18 microns et que le diamètre médian D50 soit inférieur ou égal à 6 microns. Par "poudre", on entend aussi bien un produit non compacté dans lequel les particules sont libres les unes par rapport aux autres, qu'un produit densifié où les particules ou certaines particules sont provisoirement liées en agglomérats. Par "diamètre médian Dso, on entend un diamètre tel que 50% des particules en poids ont une taille inférieure audit diamètre ; par "diamètre de coupure Dgs", on entend un diamètre tel que 95% des particules en poids ont une taille inférieure audit diamètre. Pour des particules non sphériques, la taille est constituée par le diamètre sphérique équivalent (diamètre de Stockes) . Toutes les mesures des diamètres D50 et Dg5 sont effectuées au moyen d'un appareil "Sédigraph" (marque déposée) par sédimentation par gravité conformément à la norme AFNOR X11-683. "L'indice de lamellarité" caractérise la forme de la particule et plus particulièrement son aplatissement (grande dimension/épaisseur) . Cet indice de lamellarité est mesuré par l'écart entre, d'une part, la valeur de la dimension moyenne des particules de la poudre obtenue par une mesure de granulométrie par diffraction laser en voie humide au moyen d'un appareil Malvern (marque déposée), (norme AFNOR NFXll-666) et d'autre part, la valeur du diamètre médian D50 obtenue par une mesure par sédimentation au moyen d'un "Sédigraph" (norme AFNOR Xll-683), cet écart étant rapporté au diamètre médian D50. On pourra se reporter à l'article "G. BAUDET et J.P RONA, Ind. Min. Mines et Carr. Les Techn. juin juillet 1990 pp 55-61" qui montre que cet indice est corrélé au rapport moyen de la plus grande dimension de la particule à sa plus petite dimension. Un indice de lamellarité supérieur à 1,3 caractérise des particules allongées (l'indice de lamellarité de particules sphériques est 0). On entend par "talc" soit le minéral silicate de magnésium hydraté, soit le minéral chlorite (silicate de magnésium et d'aluminium hydraté), soit un mélange des deux, associé le cas échéant à d'autres minéraux (dolomite, ...), soit encore, une substance minérale issue du talc et présentant des propriétés analogues. Les inventeurs ont mis en évidence que, de façon inattendue, l'adjonction dans la matière thermoplastique d'un type de talc particulier dans une plage particulière de pourcentage permet d'augmenter d'au moins 4% le rapport Re/P des objets à trois dimensions réalisés par thermoformage, et ce malgré la densité plus élevée de talc ajouté. Comme les exemples comparatifs fournis plus loin l'illustreront, cet effet n'est obtenu qu'avec l'incorporation d'un type de talc spécifique combinant un indice de lamellarité 1,3, un D95 u 18 microns et un D50 u 6 microns, le pourcentage pondéral de talc ne devant pas dépasser 30% (au-delà, l'augmentation de la densité apparente de la composition devenant trop forte par rapport au gain en résistance à l'écrasement obtenu). Cette augmentation significative de la résistance à l'écrasement de l'objet obtenu à partir de la composition conforme à l'invention n'est pas expliquée à l'heure actuelle et tient probablement à une orientation privilégiée que prennent les particules de talc dans la matière lorsque l'opération de formage à chaud est réalisée. Il ne semble pas que d'autres minéraux donnent le même effet. La composition conforme à l'invention dans laquelle sont dispersées les particules de talc précitées bénéficie d'un montant réduit des taxes de recyclage en raison de son moindre poids et d'un coût de fabrication très réduit (de 8 à 108 environ : réduction de la quantité totale de matière utilisée, substitution d'une fraction des polyoléfines par du talc beaucoup moins cher). Dans la majorité des cas visant en particulier l'application de la composition à la fabrication d'emballages ou de conditionnement de produits alimentaires, les polyoléfines utilisées sont des polypropylènes, homopolymères et/ou copolymères, ayant un indice de fluidité sensiblement compris entre 0,5 et 5 g par 10 mn à 2300C sous 2,16 kg (norme ISO R 1131). Les avantages sus-indiqués sont optimisés en utilisant préférentiellement un talc ayant les caractéristiques suivantes indice de lamellarité sensiblement compris entre 1,4 et 3,2, - répartition granulométrique telle que le diamètre de coupure D95 soit inférieur à 15 microns et le diamètre médian D50 soit sensiblement compris entre 0,5 et 5 microns, talc de type macrocristallin (dont le caractère lamellaire est le plus prononcé), ce talc étant broyé pour présenter la répartition granulométrique précitée. Par "talc macrocristallin", on entend un talc qui contient naturellement des cristaux élémentaires de grande dimension (notamment supérieure à 15 microns avant le broyage) observables sur des lames minces, par opposition à des talcs microcristallins ayant naturellement des cristaux élémentaires de faible dimension. Le pourcentage pondéral de talc qui paraît donner le meilleur résultat dans la plupart des cas est sensiblement compris entre 10% et 20t. L'incorporation du talc dans les polyoléfines peut être réalisée de façon traditionnelle dans des extrudeuses, notamment bi-vis, permettant une dispersion sensiblement homogène dans la matière plastique. Bien entendu, certains additifs classiques tels que pigments, agents anti-statiques. . . peuvent également être ajoutés à la composition. Le talc peut être directement incorporé aux polyoléfines dans les proportions sus-indiquées. Toutefois, selon un mode de mise en oeuvre préférentiel, l'on prépare préalablement un mélange concentré sous forme de granulés comprenant des polyoléfines et un pourcentage pondéral de talc compris entre 60% et 80%, et on dilue ensuite ce mélange concentré avec des polyoléfines de façon à obtenir le pourcentage pondéral précité talc/polyoléfines. Ainsi, la transformation du matériau plastique utilise uniquement des granulés (mélange concentré et polyoléfines) sans manipulation de poudres qui sont mises en oeuvre chez le fournisseur de mélange maître qui possède le savoir-faire correspondant. Pour fabriquer ce mélange concentré, on peut avantageusement utiliser le procédé visé dans le brevet FR-2 714 326, dans lequel le talc est préalablement aggloméré en granulés aptes à se désagréger lors de l'incorporation dans les polyoléfines. L'invention s'étend à la composition thermoplastique préparée conformément au procédé précédemment défini ainsi qu'au mélange concentré susévoqué. L'invention s'étend à un procédé de fabrication d'un objet à trois dimensions caractérisé en ce que, en vue d'accroître le rapport Re/P de l'objet, où Re est sa résistance à l'écrasement entre deux faces et P son poids, on choisit pour réaliser le thermoformage, une composition thermoplastique du type précédemment défini, c'est-à-dire contenant du talc en pourcentage sensiblement compris entre 5% et 30%, se présentant sous forme de particules dispersées dans les polyoléfines, d'indice de lamellarité supérieur ou égal à 1,3 et de granulométrie telle que le diamètre de coupure D95 soit inférieur ou égal à 18 microns et que le diamètre médian D50 soit inférieur ou égal à 6 microns. Pour fabriquer le produit à trois dimensions, la composition est mise en oeuvre par thermoformage soit à l'état fondu ("Melt phase"), soit en phase solide sous pression ("SPPF : Solide phase pressure forming "). On peut constater des gains de productivité remarquables (temps de cycle raccourcis) pouvant atteindre 30 à 40 %. Le talc incorporé augmente la conductibilité thermique du polymère et donc réduit la durée des cycles de chauffage et refroidissement. Un tel objet (conditionnement, emballage, conteneur...) se caractérise par un rapport Re/P augmenté d'au moins 4% par comparaison à un objet de même forme extérieure réalisé à partir des mêmes polyoléfines en l'absence de talc. Les exemples 1 et 2 qui suivent illustrent le procédé de l'invention, cependant que les essais comparatifs C1, C2 et C3 décrivent des fabrications de caractéristiques différentes afin d'illustrer, par comparaison, l'efficacité de l'invention. Exemple 1 : On utilise un polypropylène homopolymère fabriqué par la Société MONTELL sous la dénomination "JE 6100", sous la forme de granulés ayant un indice de fluidité voisin de 2. Afin de préparer un mélange concentré, du talc (produit macrocristallin broyé), taux pondéral de chlorite 3,5 %, surface spécifique BET : 7 m/g)), de caractéristiques indiquées dans le tableau I est mélangé au polypropylène à l'état fondu dans une extrudeuse bivis, type "Clextral BC21", de façon à obtenir un pourcentage pondéral de talc de 75 %. Le mélange concentré se présente sous la forme de granulés, de taille moyenne de 2 mm. Le mélange concentré est ensuite dilué avec le même polypropylène homopolymère de façon à obtenir un taux pondéral de talc de 15% dans le mélange final directement dans une extrudeuse de type Reifenhäuser RM 801" apte à assurer un calandrage du mélange en nappe d'épaisseur constante égale à 950 Um et de largeur 315 mm ladite nappe est thermoformée par le procédé "SPPF" sur une machine "Illig type RDM53K" munie d'un système de préchauffage (chauffage à des températures proches de la température de fusion du mélange :1550C, et formage sous une pression de 6,5 bars dans un moule en trois dimensions) L'objet fini est une barquette de forme générale parallépîpédique rectangle, évasée vers sa face ouverte opposée au fond, (dimensions : hauteur 6 cm, longueur 13 cm, largeur 9 cm), elle est éjectée du moule grâce à un système d'air comprime. La caractérisation de l'objet se fait par une mesure de résistance à l'écrasement entre son fond et sa face ouverte sur un dynamomètre de type "Adamel Lhomargy DY24" muni de capteurs de force. La mesure de force en Newton se fait à une vitesse de 100 mm/min après déformation en compression de 7 mm. Les paramètres essentiels et les résultats obtenus sont résumés dans le tableau I ci-dessous : 0 TABLEAU I EXEMPLE 1 Résistance à l'écrasement (N) 130 Rye % Talc 15 Indice de lamellarité 1,4 ! D95 ( m) 10 D50 ( m) 4,0 Poids P de l'objet fini (g) 11, 8 Re/P 11,0 Exemple 2 : La composition visée à cet exemple est fabriquée de façon identique à celle de l'exemple 1 avec le même pourcentage de talc, mais ce dernier d'un gisement différent, (produit macrocristallin broyé, taux pondéral de chlorite : 2,5 % ; surface spécifique BET : S m2/g) présente les caractéristiques indiquées au Tableau II. L'objet fini est préparé de la même façon que celui de l'exemple 1. Le tableau II ci dessous résume les résultats obtenus et paramètres essentiels mis en oeuvre TABLEAU II EXEMPLE 2 Résistance à l'écrasement (N) 130 Re % Talc 15 Indice de lamellarité 1,5 D95 ( m) 13 D50 ( m) 4,4 Poids P de l'objet fini (g) 11,6 Re/P 11,2 Essai comparatif C1 : La composition de cet essai comparatif C1 ne contient que du polypropylène sans addition de charge. L'objet fini est préparé de la même façon que ceux des exemples 1 et 2 mais en extrudant une nappe plus épaisse, d'épaisseur égale à 1100 Um, de façon à obtenir une résistance à l'écrasement égale pour l'objet fini. Essais comparatifs C2, C3 : Des compositions fabriquées de façon analogue à celles des exemples 1 et 2 contiennent des talcs décrits dans le tableau III, ayant respectivement un diamètre de coupure Dgs égal à 20pm pour le premier et un indice de lamellarité inférieur à 1,3 pour le second. Les objets finis sont préparés de la même façon que ceux des exemples 1 et 2 en partant d'une nappe d'épaisseur égale à 950 Um. Le tableau III ci-dessous reprend les données des tableaux I et II et résumé les paramètres et résultats des exemples comparatifs C1, C2, C3. TABLEAU III Exemple Exemple Essai Essai Essai 1 2 comparatif comparatif comparatif C1 C2 C3 Résistance à 130 130 130 130 130 l'écrase ment Re (N) % Talc 15 15 0 15 15 Indice de 1.4 1.5 - 1.3 1.0 lamellarité D95 ( m) 10 13 - 20 15 D50 ( m) 4.0 4.4 - 7.3 4.7 Poids P de @ 11.8 11.6 12.5 ! 12.6 13.8 l'objet fini (g) Re/P 11.0 11.2 10.4 10.3 9.4 Ce tableau montre que seul le type de talc visé par l'invention ayant un haut indice de lamellarité associé à une granulométrie fine telle que décrite permet de réaliser une barquette en polypropylène dont le rapport Re/P soit augmenté. L'augmentation de ce rapport est d'environ 10% par rapport à l'essai comparatif Cl (pas de charge) et à l'essai comparatif C2 (talc relativement lamellaire mais de granulométrie différente), et est d'environ 17% par rapport à l'essai comparatif C3 (charge constituée par un talc de lamellarité standard). REVENDICATIONS 1/ - Procédé de préparation d'une composition thermoplastique à base de polyoléfines pour la fabrication d'objets à trois dimensions, en particulier conditionnements ou emballages, caractérisé en ce que l'on incorpore aux polyoléfines du talc en pourcentage sensiblement compris entre 5 % et 30 %, se présentant sous la forme d'une poudre d'indice de lamellarité supérieur ou égal à 1,3 et de répartition granulométrique telle que le diamètre de coupure Dg5 soit inférieur ou égal à 18 microns et que le diamètre médian D50 soit inférieur ou égal à 6 microns. 2/ - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on incorpore aux polyoléfines une poudre de talc ayant un indice de lamellarité sensiblement compris entre 1,4 et 3,2. 3/ - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on incorpore aux polyoléfines une poudre de talc ayant une répartition granulométrique telle que le diamètre de coupure Dg5 soit inférieur à 15 microns et le diamètre médian D50 soit sensiblement compris entre 0,5 et 5 microns. 4/ - Procédé selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on incorpore aux polyoléfines un pourcentage pondéral de talc sensiblement compris entre 10 % et 20 %. 5/ - Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que l'on incorpore aux polyoléfines un talc de type macrocristallin, broyé pour présenter la répartition granulométrique précitée. 6/ - Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que l'on prépare préalablement un mélange concentré sous forme de granulé comprenant les polyoléfines et un pourcentage pondéral de talc compris entre 60 % et 80 %, et on dilue ce mélange concentré avec des polyoléfines de façon à obtenir le pourcentage pondéral précité talc/polyoléfines. 7/- Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le talc est incorporé aux polyoléfines dans une extrudeuse dans des conditions appropriées pour obtenir une dispersion sensiblement homogène. 8/- Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel on utilise comme polyoléfines des polypropylènes, homopolymères et/ou copolymères, ayant un indice de fluidité sensiblement compris entre 0,5 et 5 g par 10 mn à 230"C sous 2,16 kg (norme ISO R1113). 9/ - Composition thermoplastique comprenant des polyoléfines, caractérisée en ce qu'elle comprend du talc en pourcentage sensiblement compris entre 5 % et 30 %, se présentant sous forme de particules dispersées dans les polyoléfines, d'indice de lamellarité supérieur ou égal à 1,3 et de granulométrie telle que le diamètre de coupure Dg5 soit inférieur ou égal à 18 microns et que le diamètre médian D50 soit inférieur ou égal à 6 mIcrons. 10/ - Composition thermoplastique selon la revendication 9, à base de polypropylènes, comprenant un pourcentage pondéral de talc sensiblement compris entre 10 % et 20 %. 11/ - Mélange concentré de polyoléfines et de talc en vue de la préparation d'une composition thermoplastique conforme à l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu il comprend du talc en pourcentage sensiblement compris entre 60 % et 80 %, se présentant sous forme de particules dispersées dans les polyoléfines, d'indice de lamellarité supérieur ou égal à 1,3 et de granulométrie telle que le diamètre de coupure Dg5 soit inférieur ou égal à 18 microns et que le diamètre médian D50 soit inférieur ou égal à 6 microns. 12/ - Procédé de fabrication d'un objet à trois dimensions, caractérisé en ce que, en vue d'accroître le rapport Re/P de l'objet, où Re est sa résistance à l'écrasement entre deux faces et P son poids, on thermoforme une nappe réalisée à partir d'une composition thermoplastique conforme à l'une des revendications 9 ou 10. 13/ - Objet à trois dimensions, en particulier conditionnement ou emballage, réalisé par mise en oeuvre du procédé selon la revendication 12, se caractérisant par un rapport Re/P augmenté d'au moins 4 % par comparaison à un objet de même forme extérieure réalisé à partir des mêmes polyoléfines en l'absence de talc.