Brevet FR2857615A1 — publié le 20050121

Procédé pour la fabrication d'une structure alvéolaire expansée à base d'une polyoléfine La présente invention concerne un procédé pour la fabrication d'une structure alvéolaire expansée à base d'une polyoléfine. Un besoin rencontré dans de nombreuses industries (automobile, constructions civiles, navales...) consiste à optimiser le rapport propriétés mécaniques/poids des structures utilisées. De nombreux procédés ont été mis au point pour réaliser cet objectif et en particulier, pour alléger les structures en matière plastique. La plupart de ces procédés utilisent soit la formation mécanique d'alvéoles macroscopiques (par assemblage de flux solides ou fondus pour former des structures dites en nid d'abeille ), soit la formation physique d'alvéoles 10 microscopiques par libération ou expansion de gaz (expansion ou moussage à l'aide d'agents d'expansion physiques ou chimiques). Une combinaison des deux types de procédés a également été envisagée. Ainsi, la demande de brevet EP 279668 divulgue un procédé pour la fabrication de mousses à structure alvéolaire par extrusion de joncs ou de feuilles 15 de matière plastique comprenant un agent d'expansion dans une filière ayant des orifices de taille et d'emplacement relatif appropriés pour créer, par soudure mutuelle des joncs à la sortie de la filière, une structure continue qui peut être en forme de nid d'abeilles. Toutefois, ces structures sont obtenues par un procédé discontinu qui implique la découpe de tranches et leur assemblage dans le cas de 20 structures de grande taille. Un tel procédé implique donc une ou plusieurs manipulations qui en grèvent la rentabilité. Un procédé pour la fabrication de structures alvéolaires par extrusion continue a été proposé dans la demande FR 2760999. Selon ce procédé: - on extrude en continu, des feuilles parallèles d'une matière plastique (qui peut 25 être une polyoléfine) à l'intérieur d'une chambre de refroidissement ayant des compartiments situés de part et d'autre des feuilles - on réalise alternativement, dans chaque chambre, une injection de fluide de refroidissement sous pression et une dépression, les deux compartiments situés des deux côtés d'une même feuille étant pour l'un soumis à l'action du 30 fluide sous pression et pour l'autre, à l'action de la dépression, et inversement lors de l'alternance suivante. La géométrie de la filière utilisée ainsi que les modalités de ce procédé sont telles que seules des résines très fluides peuvent être utilisées (ayant typiquement un MFI de plus de 10 dg/min) et qu'en outre, la température de la matière à l'entrée de la filière doit être très élevée et ce afin de réduire au maximum la viscosité de la résine. De telles conditions sont tout à fait opposées aux conditions généralement utilisées pour l'expansion de polyoléfmines, où des résines ayant un MFI faible (typiquement aux alentours de 2 dg/min) sont expansées à une température relativement faible et ce afin de préserver un certain niveau de viscosité nécessaire à la tenue mécanique des pores. La demanderesse a toutefois constaté que, de manière surprenante, ce procédé pouvait néanmoins être appliqué à une polyoléfine contenant un agent d'expansion et ce avec l'avantage de fournir de manière simple et rapide (en une seule étape) une structure alvéolaire à base de polyoléfine particulièrement légère. La présente invention concemrne dès lors un procédé pour la fabrication d'une structure alvéolaire expansée, selon lequel: - on mélange une polyoléfine ayant un MFI supérieur à 10 dg/min à un agent d'expansion pour former une composition apte à l'expansion - on extrude en continu, des feuilles parallèles de ladite composition à l'intérieur d'une chambre de refroidissement ayant des compartiments situés de part et d'autre des feuilles - on réalise alternativement, dans chaque chambre, une injection de fluide de refroidissement sous pression et une dépression, les deux compartiments situés des deux côtés d'une même feuille étant pour l'un soumis à l'action du 25 fluide sous pression et pour l'autre, à l'action de la dépression, et inversement lors de l'alternance suivante, fin de réaliser la déformation des feuilles et leur soudage deux à deux avec formation d'alvéoles perpendiculaires à la direction d'extrusion. Les polyoléfines utilisables dans le procédé selon l'invention sont des polymères d'oléfines linéaires contenant de 2 à 8 atomes de carbone telles que l'éthylène, le propylène, le 1 -butène, le 1 -pentène, le 1 - hexène et le 1 -octène et greffées avec des fonctions acides, par exemple par voie radicalaire. Ces oléfines contiennent de préférence de 2 à 6 atomes de carbone, plus particulièrement de 2 à 4 atomes de carbone. Elles peuvent être sélectionnées parmi les homopolymères des oléfmines précitées et parmi les copolymères de ces oléfmines, en particulier des copolymères d'éthylène ou de propylène avec un ou plusieurs comonomères. Les comonomères sont avantageusement choisis parmi les oléfines décrites ci-dessus, parmi les dioléfines comprenant de 4 à 18 atomes de carbone, telles que le 4-vinylcyclohexène, le dicyclopentadiène, le méthylèneet l'éthylidène-norbornène, le 1,3-butadiène, l'isoprène et le 1,3pentadiène. De préférence, les polyoléfines sont choisies parmi les polymères du propylène et les polymères de l'éthylène. De manière tout particulièrement préférée, les polyoléfines sont choisies parmi l'homopolymère de l'éthylène, l'homopolymère du propylène,'les copolymères de l'éthylène, les copolymères du propylène, les copolymères d'éthylène et de propylène et leurs mélanges [appelées ci-après 10 résines à base de propylène (PP) et/ou d'éthylène (PE)]. Les résines à base de propylène (PP) sont les plus avantageuses et en particulier, les homopolymères de propylène. Les polyoléfines susceptibles d'être utilisées dans le procédé selon l'invention ont un indice de fluidité (MFI) supérieur à 10 dg/min, de préférence 15 supérieur ou égal à 12 dg/min, voire supérieur ou égal à 15 dg/min. Le MFI de ces polyoléfines est toutefois généralement inférieur ou égal à 500 dg/min, de préférence à 100 dg/min, de manière particulièrement préférée à 70 dg/min. Le MFI ou indice de fluidité en fondu des polyoléfmines est mesuré à 230 C sous un poids de 2.16 kg pour les polymères du propylène selon la norme ASTM D 1238 20 (1986) et à 190 C sous un poids de 5 kg pour les polymères de l'éthylène selon la norme ISO 1133 (1991). L'agent d'expansion selon la présente invention peut être de tout type connu. I1 peut s'agir d'un agent d'expansion dit physique , c'est-àdire d'un gaz dissous dans la matière plastique sous pression et qui provoque son expansion lors de la détente à la sortie de l'extrudeuse. Des exemples de tels gaz sont le CO2, l'azote, la vapeur d'eau, les hydrofluorocarbones ou HFC (tel que le mélange à 87/13% en poids de CF3CH2F/CHF2-CH3 commercialisé par SOLVAY sous le SOLKANE XG87), les hydrocarbures (tels que le butane et le pentane) ou un mélange de ceux-ci. Il peut également s'agir d'un agent d'expansion dit chimique , c'està-dire d'une substance (ou un mélange de substances) dissoute ou dispersée dans la matière plastique et qui, sous l'effet de la température, libère le ou les gaz qui serviront à l'expansion de la matière plastique. Des exemples de telles substances sont l'azodicarbonamide et les mélanges de bicarbonate de sodium et d'acide citrique. Ces derniers donnent de 35 bons résultats. La quantité'd'agent d'expansion utilisée dans le procédé selon l'invention doit être optimisée notamment en fonction de sa nature, des propriétés (viscosité notamment) de la polyoléfine de base et de la densité finale souhaitée. En général, cette teneur est supérieure ou égale à 0.1%, de préférence à 0.5%, voire àl%. Outre l'agent d'expansion et la polyoléfine, la composition apte à l'expansion selon l'invention peut comprendre des additifs usuels des matières plastiques tels que des charges, pigments, stabilisants, agents nucléants... Selon un mode de réalisation avantageux, cette composition contient comme charge, 10 des fibres minérales et en particulier, des fibres ou de la farine de bois. On veillera toutefois, en particulier dans le cas des charges, à ne pas trop augmenter la viscosité de la polyoléfine et en particulier, à rester à un niveau de MFI suffisant (supérieur à 10 dg/min). L'appareillage d'extrusion utilisé dans la présente demande peut être 15 identique ou similaire à celui décrit dans la demande FR 2760999 susmentionnée. De manière avantageuse, cet appareillage est identique à celui illustré dans les figures de cette demande et commenté de la page 4 à la page 8. Les conditions d'extrusion du procédé selon la présente invention sont adaptées notamment à la nature de la polyoléfine de base, à celle de l'agent d'expansion et au taux d'expansion souhaité. Ainsi qu'évoqué précédemment, le procédé selon l'invention ne donne de bons résultats que si la résine est suffisamment fluide à l'entrée de la filière. A cette fin, la température de la polyoléfine à l'entrée de la filière est de préférence supérieure ou égale à 250 C, voire à 260 C mais inférieure ou égale à 285 C, voire à 275 C. Afin d'éviter une expansion anarchique des feuilles parallèles à la sortie de la filière, on veillera à adapter la température du fluide de refroidissement. Selon une variante avantageuse du procédé selon l'invention, le fluide de refroidissement est un liquide, qui est de préférence à une température inférieure ou égale à 50 C, voire à 40 C. Ce liquide est de préférence de l'eau. En pratique, 30 la structure alvéolaire est avantageusement immergée dans un simple bac remplit d'eau à sa sortie de la filière. Dans ou après celui-ci, la structure alvéolaire obtenue est avantageusement reprise par un train de traction et est ensuite de préférence débitée en des plaques de dimensions voulues. La vitesse de traction et le débit d'extrusion seront optimisés en fonction notamment de la taille et de 35 l'épaisseur des alvéoles, ainsi que de la forme souhaitée. - 5 La taille et la forme des alvéoles peuvent également être adaptées en modifiant la viscosité en fondu du polymère, la vitesse d'extrusion et la durée des cycles de pression/dépression. La présente invention concerne également une structure alvéolaire expansée susceptible d'être obtenue par le procédé tel que décrit ci avant. Cette structure alvéolaire est à base d'une polyoléfine ayant un MFI supérieur à 10 et elle est expansée, c.à.d. que sa matière constitutive présente une densité inférieure à la densité de la polyoléfine de base. Une densité inférieure ou égale à 0.8 g/cm3, de préférence inférieure ou égale à 0.6 g/cm3, voire à 0.5 g/cm3 peut 10 facilement être obtenue, cette densité dépendant notamment de la quantité d'agent d'expansion utilisée. Cette densité inférieure est due à la présence de pores dont le diamètre moyen est généralement supérieur ou égal au pm, de préférence à 5 pm, voire à 10 tm; ce diamètre est toutefois généralement inférieur ou égal à 500 tm, de préférence à 250 gim, voire à 100 prm. La forme des alvéoles de cette structure peut être approximativement circulaire, elliptique (lorsque les vitesses d'extrusion et/ou de traction sont plus élevées), polygonale (lorsque les différences de pression appliquées sont plus brusques)... Ces alvéoles ont généralement une longueur L (dans la direction de l'extrusion) plus grande que leur largeur 1 (dans le plan d'extrusion mais selon 20 une direction perpendiculaire à celle de l'extrusion). En général, le facteur de forme (L/l) des alvéoles est donc supérieur à 1, voire à 1.5 mais généralement inférieur à 2. La longueur (L) des alvéoles est généralement supérieure ou égale à 4 mm, voire à 10 mm, mais généralement inférieure ou égale à 30 mm, voire à 20 mm. 25 La largeur (1) est quant à elle généralement supérieure ou égale à 2 mm, voire à mm, mais généralement inférieure ou égale à 15 mm, voire à 10 mm. La taille des structures alvéolaires selon l'invention est limitée par la taille de l'appareillage de mise en oeuvre. Par taille, on entend en fait uniquement la largeur et la hauteur (mesurée perpendiculairement au plan d'extrusion), et pas la 30 longueur puisque celle-ci est déterminée par la durée de l'extrusion et la fréquence de découpe de la bande extrudée. La hauteur de ces structures est généralement supérieure ou égale au mm, voire à 2 mm, mais inférieure ou égale à 70 mm, voire à 60 mim. Il ressort de ce qui précède que la présente invention permet d'obtenir des 35 structures alvéolaires monoblocs de longueur infinie ou plutôt, dont la longueur est variable à l'infini. - 6 Les structures alvéolaires selon cet aspect de l'inventiori sont avantageusement utilisées dans le bâtiment (plafond allégés, cloisons, ... ), l'emballage (protections latérales, enrobage d'objets, ...), l'automobile (plage arrière, intérieur de portière, ...). La présente invention est illustrée de manière non limitative par l'exemple suivant: Exemple: On a procédé à l'extrusion d'un nid d'abeilles en mousse de PP d'une largeur de cm et d'une hauteur de 17 mm dans les conditions décrites ciaprès, en 10 utilisant: - une extrudeuse DOLCI de 35 mm de long munie de 5 zones de chauffage distinctes et équipée d'une filière telle que décrite dans la demande FR 2760999, à 10 fentes - comme polyoléfine, le PP MOPLEN 640P (MFI = 15 g/10 min à 230 C et 15 sous 2.16 kg) - comme agent d'expansion, le produit LUVOPOR ( 9539 qui est à base de bicarbonate et d'acide citrique dégageant, à partir de 160 C, du CO2 et de l'eau et ce à raison de 2% en poids dans la composition - les conditions d'extrusion suivantes: 20 Températures: Zone 1: 189 C Zone 2 à 5: 265 C Température matière à l'entrée de la filière: 276 C Pression à la sortie de l'extrudeuse: 8 bars 25 Vitesse de la vis: 40 tr/min Température de l'eau: 30 C Vitesse d'étirage du nid d'abeille: 1.6 m/min Temps pendant lequel la surpression est réalisée: 0.5 sec Temps pendant lequel la dépression est réalisée: 0.5 sec 30 On a obtenu un structure alvéolaire expansée avec: des alvéoles de l'ordre de 15 mm de long (sens de l'extrusion) et 8 mm de large (sens transversal) - des pores fermés et orientés dans le sens de l'extrusion, compris dans une mousse ayant une densité de l'ordre de 0.6 + 0.1 g/cm3. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la fabrication d'une structure alvéolaire expansée à base d'une polyoléfine, caractérisé en ce que: - on mélange une polyoléfine ayant un MFI supérieur à 10 dg/min à un agent d'expansion pour former une composition apte à l'expansion - on extrude en continu, des feuilles parallèles de ladite composition à l'intérieur d'une chambre de refroidissement ayant des compartiments situés de part et d'autre des feuilles - on réalise alternativement, dans chaque chambre, une injection de fluide de 10 refroidissement sous pression et une dépression, les deux compartiments situés des deux côtés d'une même feuille étant pour l'un soumis à l'action du fluide sous pression et pour l'autre, à l'action de la dépression, et inversement lors de l'alternance suivante, fin de réaliser la déformation des feuilles et leur soudage deux à deux avec formation d'alvéoles perpendiculaires à la direction 15 d'extrusion. 2 - Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la polyoléfine est une résine à base de propylène (PP) ou d'éthylène (PE). 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'agent d'expansion est un mélange de bicarbonate de sodium et d'acide citrique. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la composition apte à l'expansion comprend en outre des fibres ou de la farine de bois. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est un liquide à une température 25 inférieure ou égale à 50 C. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est de l'eau et que cette eau alimente un bac de refroidissement dans lequel la chambre de refroidissement est immergée. 7 - Structure alvéolaire expansée susceptible d' être obtenue par un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est à base d'une polyoléfine expansée ayant un MFI supérieur à 10. 8 - Structure alvéolaire selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ses alvéoles ont un facteur de forme (L/l) compris entre 1 et 2. 9 - Structure alvéolaire selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ses alvéoles ont une longueur comprise entre 4 et 30 mm et une largeur comprise entre 2 et 15 mm.