Brevet FR2831895A1 — publié le 20030509

FIBRE NOTAMMENT UTILISEE POUR LA FABRICATION DE NON TISSES ET PROCEDE POUR L'OBTENTION D'UNE TELLE FIBRE La présente invention concerne une fibre utilisable notamment pour la fabrication de non tissés. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle fibre. Il est connu de fabriquer des non tissés notamment dans le domaine de l'hygiène, par fusion et compression de fibres polyoléfiniques dans une calandre. Ce procédé est plus connu sous l'appellation de thermoliage. Il existe plusieurs sortes de fibres polyoléfiniques utilisées pour le thermoliage. Une première catégorie de fibres sont les fibres bicomposants obtenues en filières qui présentent une structure coeur-peau externe ou côte-à-côte. Ces fibres sont obtenues par l'emploi de deux extrudeuses, chacune de ces deux extrudeuses étant alimentée de façon autonome avec un polymère spécifique (par exemple polypropylène/polyéthylène) sur une filière ayant une structure particulière. De telles fibres bicomposants sont notamment décrites dans les documents US 4 473 677, US 5 985 193 et WO/9955942. La cohésion du non-tissé obtenu provient de la liaison des fibres l'une à l'autre, un des composants ayant une température de fusion plus basse que l'autre. Le coût de fabrication de ces fibres est relativement élevé du fait de l'installation spéciale de filature qui est nécessaire. Une seconde catégorie de fibres couramment utilisée consiste en des fibres biconstituants formées d'un mélange de polymères, ces mélanges de polymères forment une structure régulière, chacun des composants formant des Îles dont les dimensions sont liées à la miscibilité des composants. De telles fibres sont notamment décrites dans les documents US 5 985 193 et WO/9955942. La liaison des fibres entre-elles est obtenues par fusion partielle des fibres, un des constituants ayant une température de fusion plus basse que l'autre. Il existe également des fibres qui ont une structure coeur-peau et qui sont obtenues à partir de polymères simples ou de mélanges de polymères dans des conditions de filature particulières, notamment un chauffage pour oxyder les fibres en sortie de filature suivi d'un refroidissement retardé spécifique qui amène à la formation de la peau précitée. Les fibres sont en fait soufflées par de l'air à haute température. La peau ainsi formée correspond en fait à une couche externe de polymère dégradé par oxydation, dont les chaînes sont plus courtes et donc qui s'avère se ramollir à des températures plus basses que le coeur de la fibre. La liaison entre les fibres est obtenue par ramollissement de la peau de la fibre et contact avec la peau d'une fibre adjacente. Après refroidissement et solidification, on obtient un non tissé. De telles fibres sont notamment décrites dans les documents US 5 280 378, US 5 318 735, US 5 431 994, US 5 706 119, US 5 882 662, US 5 985 193 et US 6 116 883. La fabrication de telles fibres requiert des conditions particulières pour la formation de la peau précitée qui intervient dans la liaison des fibres du non tissé. Le procédé s'avère donc difficile à mettre en oeuvre. De plus les non tissés obtenus présentent une main plus dure (moins moelleuse) qui est due à la cristallinité élevée du polymère constituant la peau. En effet, celui-ci étant plus dégradé, il est constitué de chaînes moléculaires plus courtes qui se cristallisent plus facilement et rendent le non-tissé plus dur. Les non tissés ainsi obtenus présentent également des plaques de soudage rigides qui proviennent du frittage des fibres. De plus, la peau présente à sa surface de nombreuses rides ou craquelures qui réduisent le caractère moelleux du non-tissé obtenu. Le but de la présente invention est de proposer une nouvelle fibre pour la formation notamment de non tissés, un procédé de fabrication de cette fibre et un nouveau procédé de fabrication d'un non tissé. Ce but est obtenu au moyen d'une fibre notamment utilisée pour la fabrication de non tissés qui, de manière caractéristique selon l'invention, contient un mélange d'un homopolymère cristallin et d'un copolymère de ce polymère cristallin dans des proportions telles que la température de fusion du mélange soit supérieure à la température de fusion du copolymère et inférieure à la température de fusion de l'homopolymère. Une telle fibre présente en effet des propriétés plastiques particulièrement satisfaisantes qui permettent la fabrication d'un non tissé notamment selon le procédé de l'invention qui sera plus amplement explicité ultérieurement. On entend par polymère cristallin au sens de l'invention, notamment un polymère dont la phase cristalline représente au moins 60% du polymère. De même, le polymère constitutif de la fibre est également un polymère cristallin car le procédé de l'invention qui sera plus amplement détaillé ultérieurement met en oeuvre les propriétés plastiques de la phase cristalline qui doit donc être majoritaire. La plasticité (thermoplasticité) des fibres de l'invention semble être due à la présence en mélange d'un homopolyère cristallin et d'un copolymère qui est apte à co-cristalliser avec l'homopolymère. La présence du copolymère crée une hétérogénéité de la structure cristalline de l'homopolymère provoquant ainsi des zones de fragilité de cette dernière. La fragilité de la structure cristalline est mise en évidence par l'abaissement de la température de fusion du mélange par rapport à la température de fusion de l'homopolymère. Les zones de fragilité représentent des zones d'amorce et de propagation de glissements moléculaires qui conduisent, par exemple sous l'effet de la pression à un échauffement interne du polymère et donc à un ramollissement de celui-ci qui peut être utilisé pour la solidarisation des fibres. Selon une variante de réalisation, l'homopolymere est un homopolymère de polypropylène. Selon une variante de réalisation particulière, le copolymère est un copolymère formé à partir du monomère de l'homopolymere et d'au moins un autre co-monomère choisi parmi l'éthylène, le butène et les a-oléfines dont la chaîne carbonée comporte au moins cinq atomes de carbone. Les proportions de l'homopolymere et du copolymère ne sont pas limitées selon l'invention. L'homme du métier est à même de faire varier ces proportions en sorte d'obtenir une température de fusion du mélange tel que défini dans la revendication 1. Selon une variante, le mélange contient entre 20% et 99% en masse dudit homopolymère et entre 1% et 80% du copolymère. De préférence, la fibre de l'invention contient en outre un agent anti- oxydant primaire, éventuellement un agent stabilisant antioxydant secondaire et éventuellement un agent antiacide. Ces additifs permettent d'empêcher la formation d'une peau dégradée à la surface de la fibre ce qui évite les inconvénients liés à la présence de cette peau. L'agent anti-oxydant primaire est choisi, par exemple, parmi les phénols stéréo-encombrés et les lactones. L'agent stabilisant antioxydant secondaire est choisi parmi les phosphites organiques. L'agent anti-acide est choisi par exemple, parmi les stéarates et notamment parmi les stéarates de calcium et de zinc. La teneur en agent antioxydant primaire peut être supérieure ou égale à 100 ppm. De même, la teneur en agent antioxydant primaire est inférieure ou égale à 1 000 ppm. De préférence, la teneur en agent stabilisant antioxydant secondaire est inférieure ou égale à 1000 ppm. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'une fibre caractérisé en ce que le matériau constitutif de la fibre de l'invention est extrudé à une température inférieure à sa température de dégradation en sorte de ne pas former de couche oxydée sur la surface externe de la fibre. Selon un mode de réalisation du procédé de fabrication de la fibre de l'invention, on souffle sur la fibre directement à sa sortie de la filière un flux d'air et/ou de gaz inerte chimiquement à une température inférieure à la température de la filière en sorte de réduire le temps de contact entre le matériau chaud et l'atmosphère ambiante. Selon une variante particulière de mise en oeuvre, on utilise pour le refroidissement, de l'air à une température comprise entre 160C et 260C avec un taux d'humidité compris entre 30% et 80%. En effet, il s'est avéré qu'il est possible d'éviter la formation d'une couche de polymère oxydé à la surface de la fibre en évitant son oxydation lors de l'extrusion. Ceci est particulièrement réalisable lorsque le matériau de la fibre comporte une composition antioxydante telle que précédemment définie. On obtient par le procédé de l'invention, des fibres de polyoléfines qui peuvent ensuite être coupées pour former des flocons. Il est à noter que les fibres obtenues par le procédé de l'invention ne sont pas des fibres soufflées (encore appelées melt-blown ). Par ailleurs, la demanderesse a également mis en évidence que les fibres obtenues selon le procédé de l'invention présentent une surface externe parfaitement lisse ce qui rend la surface du non-tissé obtenu par utilisation de ces fibres plus doux car les frottements entre les fibres et la peau de l'utilisateur sont réduits. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'un non tissé selon lequel de manière caractéristique on comprime à une température inférieure à la température de ramollissement de leur matériau constitutif une pluralité de fibres en sorte de les déformer plastiquement pour les solidariser les unes aux autres. Les fibres de l'invention précitées sont particulièrement adaptées à la mise en oeuvre du procédé de l'invention mais ce procédé n'est néanmoins pas limité à l'utilisation de telles fibres. La compression des fibres qui possèdent des propriétés plastiques définies permet d'élever leur température interne sans les dégrader. Les propriétés plastiques des fibres se définissent comme la possibilité pour la fibre de résister à des déformations élevées et de reprendre ensuite une nouvelle forme de manière relativement stable. Dans ce processus, le matériau constitutif de la fibre traverse deux phases différentes. Dans la première phase dite élastique , qui correspond à une déformation de moins de 1% environ, le matériel se refroidit légèrement. Dans la deuxième phase dite plastique , un glissement intérieur des chaînes s'amorce et se propage dans toute la masse du matériau ; la friction moléculaire créée par ce glissement produit des quantités de chaleur importantes ; la température du matériau augmente donc, la chaleur produite n'étant pas suffisamment rapidement dispersée. Si la température initiale du matériau est suffisamment élevée, l'augmentation de température peut même causer la fusion du matériau. L'échauffement interne des fibres utilisé dans la présente invention permet d'abaisser la température de thermoliage dans la calandre ce qui, outre le gain énergétique, évite toute dégradation thermique (oxydation) du polymère constitutif des fibres et donc améliore la douceur du non-tissé obtenu. La solidarisation des fibres est obtenue par déformation plastique sous l'effet de la compression, c'est-à-dire par ramollissement et/ou fusion au moins partielle et/ou emboîtement des portions des fibres en contact les unes dans les autres. Lorsque le procédé de l'invention est mis en oeuvre avec les fibres de l'invention, on obtient un non tissé particulièrement doux. En effet, il est possible de comprimer les fibres à des températures basses de l'ordre de 140 C-145 C durant des temps très courts de l'ordre de 10 millisecondes ce qui permet d'éviter toute dégradation thermique et donc toute formation même durant le thermoliage d'une couche externe dégradée. Le calandrage utilisé est à relief. Le non-tissé ainsi formé est constitué de fibres parfaitement homogènes et donc de même cristallinité ce qui lui confère une plus grande douceur, contrairement aux nontissés déjà connus obtenus par thermoliage d'une fibre ayant notamment une structure coeur-peau. La présente invention, ses caractéristiques et les différents avantages qu'elle procure apparaîtront mieux à la lecture de la description et des figures qui suivent et font référence à un mode particulier de réalisation des fibres de l'invention et à un mode de mise en oeuvre particulier du procédé de l'invention, présentés à titre d'exemples non limitatifs. La figure 1 représente une vue de la surface externe d'une fibre de l'invention ; la figure 2, représente une vue en coupe transversale de la fibre de la figure 1 ; la figure 3 représente une vue de la surface externe d'une fibre ayant une structure coeur-peau ; la figure 4 représente une vue en coupe transversale de la fibre de la figure 3 ; la figure 5 représente un schéma d'un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé de l'invention ; la figure 6 représente un agrandissement en vue de face de la zone de refroidissement du dispositif de la figure 5 ; la figure 7 représente une vue en coupe de la figure 6 ; et les figures 8 et 9 représentent plus en détails les ailettes orientables du système de refroidissement. Exemple de composition des fibres de l'invention Le tableau 1 suivant montre la variation de la température de fusion d'un mélange d'un homopolymère de polypropylène (F79S produit par la société Basell) et d'un copolymère de polypropylène et de polyéthylène (RCXP 2130 produit par la société Basel). La température de fusion a été déterminée comme étant la température correspondant au pic d'enthalpie de fusion mesurée par analyse thermique différentielle. Le dispositif utilisé est le DSC 700 fabriqué par la société Polymer Lab. La vitesse de chauffe est de 3 C/min. Tableau 1 polymère F79S RCXCP2130 Mélange F79S/RCXP2130 : 0,6/0, 4 Température de 164, 5OC 144, lOC 161, 5OC fusion La température de fusion du mélange étant inférieure à celle du polymère, elle est donc un indice de la formation d'un désordre à l'échelle moléculaire. Ce désordre peut être observé aux rayons X. Il peut résulter soit du déplacement limité de certains atomes par rapport aux plans cristallographiques, soit d'une dilatation ou d'une compression des distances inter planaires, soit à une diminution ou une augmentation de la concentration électronique sur certains plans cristallographiques. Sans que la Demanderesse ne soit liée par cette explication, il semble que les propriétés de soudabilité plastiques des fibres soit favorisées par ce dernier facteur qui provient dans l'exemple précité de la présence de groupements méthyl du polypropylène qui modifient la position stéréographique à l'intérieur de la structure cristalline. Il est également possible selon l'invention d'utiliser un copolymère polypropylène-polyéthylène dont la structure cristalline présente un certain désordre du fait de la présence de segments de chaînes de polyéthylène dans la structure cristalline du polypropylène. Néanmoins, la fabrication de ce copolymère nécessite d'être rigoureusement contrôlée afin de conférer au matériau final de bonnes propriétés de plasticité. Ceci n'est pas le cas lorsqu'on utilise le mélange précité. Composition antioxydante La Demanderesse a mis en évidence que la composition antioxydante ajoutée au mélange de polymères est très importante pour éviter la formation d'une peau dégradée nuisible aux propriétés mécaniques du non-tissé obtenu à partir des fibres. Dans le cadre de la présente invention, la concentration en composition antioxydante est de l'ordre de 500ppm-2 000 ppm. Le tableau 2 suivant donne trois exemples de compositions qui sont de préférence incorporées au mélange de polymère cité en exemple. La stabilité à l'oxygène et aux hautes températures du mélange obtenu est mesurée par la méthode TOSI (thermal Oxidation Stability Index) F. Polato : Comunicazione privata, Nov. 30.1998. Cette méthode suppose que le MFR est un indicateur en première approximation du poids moléculaire moyen en masse Mw du polymère. Elle consiste à évaluer la dégradation moléculaire du polymère maintenu à température constante en cellule close pendant un temps défini, en l'absence d'oxygène et à extruder celui-ci plusieurs fois à haute température en présence d'oxygène de l'air. Tableau 2 Composition A B C antioxydante MFR MFR2 MIL2 1 8, 50 116, 90 153, 83 2 8, 50 28, 22 66, 90 3 8, 50 62, 80 143, 20 A : MFR taux de flux en fusion ( melting flow rate abrégé en MFR) originaire du polymère déterminé selon la norme ASTM D-1238 (Condition L ; 230/2016) B : MFR2 taux de flux en fusion du polymère mesuré selon la norme ASTM D 1238 à 2900C pendant 18 min sans oxygène ; C : MIL 2 MFR du polymère déterminé selon la norme ASTM D 1238 (condition L ; 230/2.16) après deux chauffages à 2900C pendant 6 min en présence d'oxygène. Composition 1 : Concentration totale : 500 ppm phénol stéréo empêchés choisi parmi C. A. S NOs 6683-19-8,27676-62-6 et 2082- 79-3) /photo stabilisateur/phosphites organiques choisi parmi CAS Ns 31570- 04-4 et 119345-01-6 composition 2 Concentration totale : 1 200 ppm lactone C. A. S NOs 18131-48-7/photo stabilisateur : amine stéréo encombrée/ photo stabilisateur : amine stéréo encombrée/phosphites organiques choisis parmi CAS NO 31570-04-4,119345-01-6 composition 3 Concentration totale : 750 ppm phénol stéréo empêchés choisi parmi C. A. S N s 6683-19-8,27676-62-6 et 2082- 79-3) /phosphites organiques choisi parmi CAS Ns 31570-04-4 et 119345-01-6 On a ajouté à toutes les compositions précédentes 500 ppm de stéarate de calcium. Procédé de fabrication de la fibre Le procédé de fabrication de la fibre selon l'invention tient compte de la fluidité du polymère ou du mélange de départ, de la température d'extrusion de la fibre. La Demanderesse a en effet mis en évidence qu'en utilisant un polymère (ou mélange) fluide c'est-à-dire ayant un taux de fluidité en fusion (abrégé en MFR désignant le melt-flow rate ) élevé on parvient, les autres paramètres étant constants (i. e. même composition antioxydante et même température d'extrusion) à limiter fortement la formation d'une peau dégradée à la surface de la fibre. Le tableau 3 suivant montre l'évolution de la fluidité du polymère (en terme de MFR) et la valeur de l'index de thermoliage (TBI) (TBI = SQRT (CD*MD)) avec MD = direction de la machine et CD = cross direction) en fonction de la température de filage qui correspond à la température de la tête de filature. Le polymère utilisé est un homopolymère MFR 12 fabriqué par la société Basell. Tableau 3 Température de filage MFR TBI ( C) 270 12,3 11,8 275 13,8 12,5 280 16,6 14,5 285 26,1 19,5 290 39,2 24,5 295 52,0 19,4 300 61,5 11,5 305 69,0 10,5 310 74,0 9,5 MFR déterminé selon la norme ASTM D-1238 (condition L ; 230/2.16) Le tableau 3 montre que la dégradation du polymère augmente tout d'abord lentement en fonction de la température, jusqu'environ 2800C ensuite, son augmentation est plus rapide pour atteindre un maximum à 2900C. La fibre de l'invention est donc extrudée à une température inférieure à 2800C pour éviter toute formation de peau. Pour ce faire, on utilise un dispositif de refroidissement comportant des flux d'air tournés vers la filière ce qui a pour effet de réduire le temps de contact à chaud de la fibre avec l'oxygène de l'atmosphère ambiante et d'augmenter la stabilité de la colonne de polymère fondu. La figure 1 montre bien que la surface de la fibre obtenue par le procédé de l'invention est parfaitement lisse et qu'en coupe transversale (figure 2), cette fibre est parfaitement homogène. Sa coupe transversale ne fait en effet état d'aucune structure en anneau. Par comparaison, la figure 3 montre bien que la surface externe d'une fibre à structure coeur-peau est irrégulière. En coupe transversale (figure 4) on remarque bien une peau externe référencée P et un coeur référencé C entouré par cette peau. Les figures 5 à 9 représentent un mode de réalisation d'un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé de fabrication d'une fibre selon l'invention. La figure 5 représente une filière 1 équipée d'un système de refroidissement par air 2. L'arrivée d'air s'effectue par le tube 2a disposé en dessous de la tête de filature. En référence à la figure 6, les fibres F qui sont extrudées passent devant des ailettes 3 qui seront plus amplement décrites en référence aux figures 8 et 9. En référence à la figure 7, l'air de refroidissement est acheminé à travers des filtres 6 au niveau de la tête d'extrusion 4. Le flux d'air est orienté via les ailettes 3. Après passage sur les fibres F, l'air réchauffé est évacué. En référence à la figure 8, l'air représenté par les flèches passe entre les ailettes 3 qui sont montées orientables sur une armature 5. Chaque ailette 3 est montée pivotante au moyen d'un pivot 3a sur l'armature 5. En référence à la figure 9, l'air de refroidissement représenté par les flèches est orienté par les ailettes 3 et vient refroidir l'oignon de polymère 0 qui se forme au niveau de la tête d'extrusion 4. L'air réchauffé est ensuite évacué. Selon un mode de mise en oeuvre particulier, l'air de refroidissement est à une température comprise entre 160C et 26 C et présente un taux d'humidité compris entre 30% et 80%. Procédé de fabrication d'un non tissé. Selon le procédé de l'invention, les fibres sont chauffées à une température inférieure à la température de ramollissement du polymère qui les constitue puis comprimées fortement en sorte de provoquer le phénomène de fluage (amorce et propagation d'un glissement moléculaire) exposé précédemment. Sous l'effet de la compression, les fibres s'échauffent et se solidarisent les unes aux autres du fait de leur déformation plastique. La température de chauffage des fibres est de l'ordre de 140 C-145 C pendant 10 x10-3 secondes ce qui correspond au temps de contact des fibres avec les rouleaux de compression du dispositif. La pression mise en oeuvre est calculée en sorte d'obtenir une cohésion maximale du non-tissé obtenu. REVENDICATIONS 1. Fibre notamment utilisable pour la fabrication d'un non tissé caractérisée en ce qu'elle contient un mélange d'un homopolymère cristallin et d'un copolymère dudit polymère cristallin dans des proportions telles que la température de fusion dudit mélange soit supérieure à la température de fusion dudit copolymère et inférieure à la température de fusion dudit homopolymère. 2. Fibre selon la revendication 1, caractérisée en ce ledit homopolymère est un homopolymère de polypropylène. 3. Fibre selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit copolymère est un copolymère formé à partir du monomère dudit homopolymère et d'au moins un autre co-monomère choisi parmi l'éthylène, le butène et les oc-oléfines dont la chaîne carbonée comporte au moins cinq atomes de carbone. 4. Fibre selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit copolymère est un copolymère polypropylène-polyéthylène. 5. Fibre selon la revendication 2 et la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle contient 60% en masse de polypropylène et 40% en masse de copolymère polypropylène-polyethylène. 6. Fibre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle contient : a. entre 20% et 99% en masse dudit homopolymère ; et b. entre 1% et 80% dudit copolymère. 7. Fibre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle contient un agent anti-oxydant primaire, éventuellement un agent stabilisant antioxydant secondaire et éventuellement un agent antiacide. 8. Fibre selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit agent anti- oxydant primaire est choisi parmi les phénols stéréo-encombrés et les lactones. 9. Fibre selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisée en ce que ledit agent stabilisant antioxydant secondaire est choisi parmi les phosphites organiques. 10. Fibre selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que ledit agent anti-acide est choisi parmi les stéarates et notamment parmi les stéarates de calcium et de zinc. 11. Fibre selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que la teneur en agent antioxydant primaire est supérieure ou égale à 100 ppm. 12. Fibre selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisée en ce que la teneur en agent antioxydant primaire est inférieure ou égale à 1 000 ppm. 13. Fibre selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisée en ce que la teneur en agent stabilisant antioxydant secondaire est inférieure ou égale à 1000 ppm. 14. Procédé de fabrication d'une fibre selon l'une quelconque des revendications précitées, caractérisé en ce que le matériau constitutif de la fibre est extrudé à une température inférieure à sa température de dégradation en sorte de ne pas former de couche oxydée sur la surface externe de la fibre. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'on souffle sur la fibre directement à sa sortie de la filière un flux d'air et/ou de gaz inerte chimiquement à une température inférieure à la température de la filière en sorte de réduire le temps de contact entre le matériau chaud et l'atmosphère ambiante. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit flux d'air est à une température comprise entre 16 C et 26 C. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fibre est filée à une température inférieure à 280 C. 18. Procédé de fabrication d'un non tissé, caractérisé en ce que l'on comprime à une température inférieure à la température de ramollissement une pluralité de fibres selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 en sorte de les déformer plastiquement pour les solidariser les unes aux autres. 19. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que lesdites fibres sont portées à une température sensiblement comprise entre 1400c et 1450C avant et/ou pendant leur compression. 20. Procédé selon la revendication 17 ou 18, caractérisée en ce que le temps de chauffage des fibres et de l'ordre de 10 millisecondes.