Brevet FR2887487A1 — publié le 20061229

Procédé de soudure de matières plastiques L'invention concerne un procédé de soudure de matières plastiques. Plus particulièrement, elle concerne un procédé de soudure permettant d'obtenir des soudures dites pelables. Elle concerne également des articles en matière plastique comprenant de telles soudures, en particulier dans le domaine médical. Par soudure on entend une jonction entre deux éléments, qui deviennent solidaires, les deux éléments étant, au lieu de la jonction, directement en contact l'un avec l'autre. Au sens de la présente invention, une soudure se distingue d'un collage, par lequel des éléments sont joints via une substance différente de celle constituant les éléments. Une soudure de matières plastiques implique généralement leur chauffage ou l'utilisation de solvants, par exemple. Habituellement, lorsque des éléments en matière plastique sont correctement soudés, on recherche à l'endroit de la soudure une résistance mécanique importante. De ce fait, lorsqu'on essaye de rompre la soudure par traction mécanique, on endommage les éléments soudés avant d'obtenir la rupture souhaitée. Ceci peut présenter des inconvénients par exemple dans le domaine de l'emballage dans lequel des produits pouvant être aisément ouverts sont fréquemment recherchés. Par soudure pelable de deux éléments on entend une soudure pouvant être dessoudée par simple traction visant à séparer les deux éléments, sans endommager les dits éléments. De telles soudures pelables sont particulièrement utiles entre deux éléments de matières plastique, principalement sous forme de films, par exemple dans le domaine de l'emballage pharmaceutique. En effet, elles permettent de réaliser des emballages à plusieurs compartiments dans lesquels sont stockés des substances actives différentes. Au moment de l'utilisation, la soudure séparant les compartiments est dessoudée, permettant le mélange des substances actives. Une solution pour réduire la résistance mécanique en traction de soudures de matières plastique est d'effectuer une soudure imparfaite, par exemple en réduisant leur chauffage. Toutefois il est apparu que de telles soudures de mauvaise qualité ne sont pas reproductibles, certaines étant plus résistantes que d'autres. Un moyen connu pour obtenir des soudures pelables reproductibles consiste à utiliser des matières plastiques particulières, souvent constituées d'un mélange de différentes matières plastiques, et à se mettre dans des conditions de soudure qui ne soudent qu'une partie des différentes matières plastiques constitutives. Un tel moyen est cependant coûteux et complexe car il impose une condition supplémentaire restrictive pour le choix des matières d'emballage. L'invention vise à fournir un procédé de soudure permettant d'obtenir de manière simple et économique des soudures pelables. En conséquence, l'invention concerne un procédé pour réaliser une soudure pelable d'éléments en matière plastique dans lequel les éléments sont pressés l'un contre l'autre et chauffés à la surface de soudure et dans lequel au moins un des éléments comprend une couche de matière non soudable couvrant, au moment où les éléments sont pressés, une partie seulement de la surface de soudure. Par soudure pelable d'éléments en matière plastique on entend, comme indiqué ci-dessus, une soudure pouvant être dessoudée par simple traction visant à séparer les éléments soudés, sans les endommager. Lorsqu'un échantillon d'éléments soudés présentant une telle soudure pelable est soumis à un test de traction normalisé effectué à vitesse constante, on obtient avantageusement une courbe de traction présentant une zone en plateau (la courbe de traction est la courbe représentant la force de traction en fonction de l'allongement de l'éprouvette, l'essai de traction étant réalisé de préférence selon la norme ASTM F88). Une zone en plateau d'une courbe de traction est une zone présentant une décroissance approximativement linéaire de la force de traction en fonction de l'allongement, située après le maximum de ladite force. Une telle zone en plateau est la signature d'une délamination de la soudure, qui se dessoude progressivement sur la largeur, en opposition à une rupture brusque. On a également observé que les soudures pelables présentent un bourrelet très réduit, voire avantageusement absent. Le bourrelet d'une soudure est une surépaisseur de matière située en périphérie de la zone sur laquelle la pression a été appliquée, lors de la soudure, due à un fluage de matière plastique ramollie. Les éléments en matière plastique peuvent avoir toute forme utile déterminée par la fonction de l'objet qu'ils constituent. Ils sont avantageusement constitués de feuilles ou films, éventuellement formés, par exemple par thermoformage. Dans le procédé selon l'invention, les éléments sont pressés l'un contre l'autre et chauffés à la surface de soudure (la surface de soudure étant la portion de surface commune des éléments sur laquelle ils sont soudés l'un à l'autre). Ces opérations sont conventionnellement réalisées dans une machine de soudure qui possède généralement des mâchoires entre lesquelles sont placés les éléments à souder, la surface de contact des mâchoires avec les éléments déterminant la surface de soudure. Les mâchoires exercent la pression et peuvent également fournir la chaleur nécessaire à la soudure, par exemple par conduction. Les machines de soudure sont de préférence munies d'un système permettant de régler le minimum d'ouverture des mâchoires, pour éviter un écrasement excessif de la matière de part et d'autre de la surface de soudure. Mis à part cette valeur minimum, l'épaisseur de la soudure dépend de la pression exercée et de la fluidité de la matière plastique chauffée, donc de sa température. Selon l'invention, au moins un des éléments soudés comprend une couche de matière non soudable couvrant, au moment où les éléments sont pressés, une partie seulement de la surface de soudure. Par matière non soudable on entend une matière empêchant la diffusion de matière plastique ramollie d'un élément à l'autre et ne provoquant pas elle-même une adhérence entre les éléments, dans les conditions de pression et température utilisées lors de la soudure selon le procédé. Dans l'hypothèse où une telle matière recouvrirait l'ensemble de la surface de soudure au moment où la pression est exercée, aucune soudure ne se produirait, les éléments ne présentant aucune adhérence entre eux. L'épaisseur de la couche de matière non soudable doit être suffisante pour empêcher efficacement la soudure. On recommande qu'elle possède une épaisseur valant au moins 1, avantageusement 5, de préférence 10 nm. Pour éviter de perturber la géométrie et les fonctions des éléments soudés, on recommande également que cette épaisseur ne dépasse pas 500, avantageusement 100, de préférence 50 nm. Dans une première variante de l'invention, c'est dès la constitution de la couche de matière non soudable que les éléments ne comprennent cette dernière que sur une partie seulement de la surface de soudure. Par exemple, on peut utiliser un masque protégeant une partie de la surface de l'élément correspondant à la surface de soudure lors de la constitution de la couche. Dans une seconde variante, avantageuse, au moment de la constitution de la couche, la totalité de la surface de l'élément correspondant à la surface de soudure est couverte d'une couche de matière non soudable. Dans cette variante, lorsque la matière plastique est chauffée et pressée, cette dernière flue en s'écoulant, ce qui endommage la couche de matière non soudable et la fait disparaître sur une partie de la surface de soudure, ce qui permet d'obtenir l'objectif de l'invention. Dans cette variante, il est particulièrement recommandé que la couche de matière non soudable ne soit pas trop épaisse. Le pourcentage de surface de soudure couverte de la couche de matière non soudable, au moment où les éléments sont pressés, va déterminer, toutes autres choses étant supposées égales, la force maximale nécessaire pour dessouder les éléments. Un des objectifs de l'invention est de réduire cette force. On recommande dès lors souvent que la couche de matière non soudable couvre au moins 10 %, de préférence 20 %, plus préférentiellement 25 % de la surface de soudure. D'autre part, on recommande également en général qu'elle ne couvre pas plus de 90 %, de préférence 75 %, plus préférentiellement 50 % de la surface de la soudure. La couche de matière non soudable peut être constituée de nombreuses matières, organiques ou inorganiques, pouvant inhiber la soudure de la matière plastique constituant les éléments à souder. Pour des raisons pratiques il est recommandé que la matière soudable présente une adhérence suffisante sur la matière plastique utilisée, le cas échéant grâce à un traitement de surface ou à l'utilisation d'adhésifs. Dans un premier mode d'exécution avantageux du procédé selon l'invention, la couche de matière non soudable comprend de la matière organique polymérique réticulée. De la matière organique polymérique réticulée est une matière comprenant des chaînes polymériques formant un réseau tridimensionnel. Ce réseau tridimensionnel réduit fortement voire annule la capacité de la matière à s'écouler, ce qui rend la matière organique polymérique réticulée non soudable. Cette matière polymérique peut être différente de la matière plastique constituant les éléments. Toutefois il est préférable qu'elle soit semblable, la réticulation étant obtenue directement à la surface des éléments. Dans ce mode d'exécution, il est recommandé que la réticulation ne soit pas trop importante, pour s'assurer que cette matière non soudable couvre, au moment où les éléments sont pressés, une partie seulement de la surface de soudure. Selon un second mode d'exécution avantageux du procédé selon l'invention, la couche de matière non soudable comprend de la matière inorganique. Cette matière inorganique devra permettre de bloquer lors de la soudure la diffusion de la matière plastique au travers de la surface de soudure. La matière inorganique peut être par exemple un composé du silicium tel que SiOx ou SiNx ou du carbone, ce dernier étant préféré. La couche de matière non soudable peut être constituée par tout traitement de déposition ou traitement de surface appropriée (déposition vapeur, irradiation, plasma...). Par plasma on entend un système statistique formé de particules neutres et de particules chargées, créé par ionisation d'un gaz. Pour ioniser le gaz, il faut apporter de l'énergie afin d'arracher des électrons aux particules de gaz et obtenir ainsi un système globalement neutre d'ions, d'électrons et d'atomes. Le retour de molécules excitées à leur état initial génère l'émission d'un rayonnement électromagnétique caractéristique. L'énergie nécessaire à la formation d'un plasma peut avoir différentes sources. La source la plus répandue est une radiation incidente de champs électriques. D'après la fréquence appliquée, il s'agit de plasma à courant alternatif (50Hz), à audio-fréquence (kHz), à radio-fréquence (MHz) ou à micro- ondes (GHz). Les plasmas peuvent être thermiques (plasma chaud) ou, de préférence dans le procédé selon l'invention, non thermiques (plasmas froids). Dans les plasmas thermiques la pression du gaz est suffisamment élevée pour permettre un nombre élevé de collisions entre les particules (neutres, excitées, non excitées, ionisées) ce qui favorise la transmission de l'énergie. Il en résulte un plasma en équilibre thermodynamique, dont toutes les particules ont pratiquement la même quantité d'énergie. Les plasmas non thermiques ou plasmas froids apparaissent sous des pressions réduites pouvant descendre par exemple jusqu'à 10-4Pa. Sous ces conditions, le libre parcours moyen est très important et il ne peut se produire de transmissions d'énergie importantes entre les particules que par collisions d'électrons. Un plasma froid n'est pas à l'équilibre thermodynamique. Macroscopiquement, il est à température ambiante. Il contient toutefois un certain nombre de particules, surtout des électrons, qui sont à haute énergie. Ces électrons de haute énergie et le rayonnement de haute énergie provenant des migrations d'électrons sont capables d'induire des réactions chimiques aux surfaces soumises au traitement plasma. Toutefois, aucune charge thermique ne se produit à cette surface car la température macroscopique est adaptée à la température ambiante. Le traitement peut être effectué, en discontinu ou en continu, dans une chambre à plasma équipée intérieurement d'électrodes y générant un plasma froid sous pression réduite par décharge luminescente, produite sous potentiel de décharge entre les électrodes. Le gaz à partir duquel le plasma froid est généré est choisi en général parmi l'hélium, le néon, l'argon, l'azote, l'oxygène, l'air, l'oxyde nitreux, le dioxyde d'azote, les mono- et dioxyde de carbone, le dioxyde de soufre, le sulfure d'hydrogène, l'hydrogène, le chlore, le fluor, l'acéthylène et le chlorure d'hydrogène. Ces gaz peuvent être utilisés seuls ou en mélanges. Parmi les gaz énumérés ci-dessus, l'argon, l'acéthylène et le monoxyde de carbone sont particulièrement préférés. L'appareil générateur de plasma n'est pas limité à ceux comprenant une chambre équipée intérieurement d'électrodes, mais peut être du type à électrodes extérieures ou à électrode bobinée. Les électrodes peuvent être reliées à un générateur à haute fréquence par couplage capacitif ou inductif La forme des électrodes n'est pas particulièrement critique. L'électrode de puissance et l'électrode mise à la terre peuvent avoir la même forme ou des formes différentes, telles que des plaques, des tiges, des anneaux, des cylindres, etc. Il est fréquemment souhaitable que les murs intérieurs de la chambre à plasma soient métalliques pour exercer la fonction d'électrode, le plus souvent mise à la terre. En tout état de cause, le traitement par plasma froid est conduit de manière à ce que la chaleur dégagée par la décharge électrique n'endommage pas la surface de l'élément en matière plastique qui y est soumis. Dans une variante particulièrement avantageuse du procédé selon l'invention, la couche de matière non soudable est établie par traitement plasma froid. Dans un premier mode de réalisation de cette variante, le traitement par plasma froid permet de réticuler la surface de l'élément à souder. Dans ce cas on utilise avantageusement un plasma dont le gaz ionisé est à base d'argon. Ce traitement permet aussi, dans un second mode de réalisation, de déposer une couche non soudable contenant du carbone. Dans ce cas on utilise avec succès un plasma à l'acéthylène. La matière plastique constituant les éléments à souder peut être toute matière plastique soudable. Il est toutefois recommandé que la matière soit thermoplastique, c'est-à-dire qu'elle devienne fluide lorsqu'elle est chauffée à une température suffisante. De telles matières thermoplastiques sont par exemple les polyoléfines, polyamides, le polychlorure de vinyle etc... Le procédé selon l'invention est particulièrement adapté à la soudure d'éléments comprenant du polychlorure de vinyle. Le polychlorure de vinyle peut être choisi parmi les homopolymères du chlorure de vinyle ou les copolymères contenant une proportion prépondérante (supérieure à 50 % en poids) de ce monomère. Ces copolymères sont obtenus par copolymérisation du chlorure de vinyle avec un ou plusieurs monomères copolymérisables tels que les esters vinyliques, par exemple l'acétate de vinyle; les éthers vinyliques, par exemple l'éther éthylvinylique; les acides acrylique et méthacrylique et leurs esters, par exemple l'acrylate de méthyle; l'acide fumarique et ses esters, par exemple le fumarate d'éthyle; l'acide maléique, son anhydride et ses esters par exemple le maléate d'éthyle; les composés vinylaromatiques, par exemple le styrène; les halogénures de vinylidène par exemple le chlorure de vinylidène; l'acrylonitrile; le méthacrylonitrile; les oléfines, par exemple l'éthylène. Le polychlorure de vinyle peut aussi être constitué d'un mélange de polymères, en particulier d'un mélange de polymères du chlorure de vinyle avec un élastomère synthétique tel que les copolymères de l'éthylène et de l'acétate de vinyle; les copolymères de l'acrylonitrile et du butadiène; les copolymères du styrène et de l'acrylonitrile; les copolymères du méthacrylate de méthyle, du styrène et du butadiène; les copolymères de l'acrylonitrile, du styrène et du butadiène; les polyamides; les polymères du caprolactame; les terpolymères de l'éthylène, du propylène et d'un diène; les élastomères d'uréthanes; les polybutadiènes modifiés par des résines époxydes; la proportion d'élastomère synthétique dans le mélange n'excède toutefois pas 50 % en poids par rapport au poids de polymère du chlorure de vinyle. Les éléments à souder peuvent comprendre des couches différentes à base de polychlorures de vinyle différents. Chaque couche de l'élément contient aussi un plastifiant conventionnel du polychlorure de vinyle, de manière à conférer à la feuille la flexibilité souhaitée. Ce plastifiant est choisi en général parmi les esters de l'acide phtalique, tels que le dibutyl-, le dioctyl-, le diisodécyl- et le butylbenzylphtalate par exemple; parmi les esters de diacides aliphatiques, tels que le dioctyladipate et le dibutylsébacate par exemple; parmi les esters de polyols, tels que les esters du pentaérythritol et les dibenzoates de diéthylène- et de dipropylèneglycols par exemple; parmi les esters d'acides gras, tels que l'acétylricinoléate de méthyle par exemple; parmi les esters de l'acide phosphorique, tels que le tricrésyl-, le triphényl- et le trinonylphosphate par exemple; parmi les huiles époxydées, telles que les huiles de soja et de lin époxydées par exemple; parmi les esters de l'acide citrique, tels que les citrates d'acétyltrioctyle et d'acétyltributyle par exemple; ou encore parmi les plastifiants à base de polyesters, tels que le trimellitate de triméthyle, le pyromellitate de tétra-n-octyle et l'adipate de propylèneglycol par exemple. Pour des raisons d'accessibilité et de coût, le plastifiant est choisi de préférence parmi les esters de l'acide phtalique et parmi les esters de diacides aliphatiques. Dans le procédé selon l'invention, le chauffage des éléments pressés peut être fait notamment par conduction (soudure thermique) ou rayonnement (soudure laser ou soudure haute fréquence). On recommande l'utilisation de chauffage par rayonnement électromagnétique haute fréquence, en particulier lorsque la matière plastique est à base de polychlorure de vinyle. En effet, contrairement aux polyoléfines (par exemple polyéthylène, polypropylène), le PVC, contenant des groupements C-Cl qui présentent des dipôles vibrant sous l'action de hautes fréquences, peut facilement être soudé par cette technique, qui est d'ailleurs généralement utilisée avec de tels matériaux. Dans la soudure haute fréquence, les éléments à souder sont positionnés entre deux électrodes entre lesquelles est exercée une différence de potentiel à haute fréquence. Suite au voltage, les groupements constituant un dipôle vont commencer à vibrer. Le matériau va ainsi pouvoir s'échauffer jusqu'à atteindre sa température de fusion. L'action combinée de la haute fréquence et de la pression exercées sur les deux éléments, engendre un enchevêtrement des chaînes macromoléculaires. Cet enchevêtrement va aboutir à une soudure. La haute fréquence est avantageusement supérieure à 1, de préférence 10MHz, des fréquences comprises entre 20 et 30 MHz étant les plus courantes. Une machine de soudure haute fréquence comporte deux parties très importantes: le générateur de haute fréquence et un dispositif de mise en pression des éléments à souder, souvent constituée par les deux électrodes. Ces deux électrodes présentent donc une double fonction. Elles servent à transférer l'énergie de la haute fréquence au matériau et à presser les couches à souder l'une sur l'autre. Elles peuvent être de formes les plus variées. Le matériau constituant les électrodes doit avoir de bonnes qualités mécaniques, une bonne conductibilité thermique et enfin ne pas provoquer d'éclairs. En général on utilise du laiton. Le générateur de haute fréquence doit être capable de produire une puissance suffisante, typiquement plusieurs milliers de Watts. Les paramètres principaux de soudure haute fréquence sont le temps de soudure, la distance inter électrode et la puissance du générateur. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des éléments soudés présentant une soudure pelable, dont la résistance peut également être contrôlée. En conséquence, l'invention concerne également des éléments soudés en matière plastique, un au moins des éléments comprenant une couche de matière non soudable couvrant une partie seulement d'une surface de soudure, pour obtenir une soudure pelable, pouvant être obtenu par le procédé selon l'invention. Dans une variante avantageuse des éléments selon l'invention, ceux-ci comprennent au moins en outre une soudure non pelable. Pour obtenir celleci, il est avantageux d'exercer une pression plus importante sur la surface de soudure, afin d'endommager davantage la couche de matière non soudable. Les éléments selon l'invention sont particulièrement utiles dans des applications nécessitant, pour un même produit la présence de soudures pelables et non pelables, tels que les emballages pour usage pharmaceutique, et en particulier les emballages à multicompartiments. Les exemples dont la description suit servent à illustrer l'invention. Exemple 1 On a soudé deux bandes de matière plastique en polychlorure de vinyle de 15mm de large et 350 g d'épaisseur au moyen d'une soudeuse haute fréquence de marque COLPITT . Une puissance de 1500w a été appliquée pendant l s. L'épaisseur de la soudure était de 500 g environ. Après soudure, l'échantillon a été soumis à un test de traction selon la norme ASTM F88. L'échantillon n'a pas pu être dessoudé mais s'est rompu. La force de traction à la rupture de l'échantillon a été de 54N. La soudure n'était pas pelable. Exemple 2 On a procédé comme dans l'exemple 1 sauf que les bandes de polychlorure de vinyle ont préalablement été soumises sur la totalité de leur surface à un traitement plasma froid à l'argon, sous une pression de 100 mTorr, puissance de 350w, pendant 7 secondes, afin de réticuler la surface de l'échantillon. L'échantillon a été dessoudé sans rupture. La force de traction nécessaire a été de 25N. La soudure était pelable. Exemple 3 On a procédé comme dans l'exemple 2 mais la durée du traitement a été allongée à 10 secondes. La force de traction nécessaire pour dessouder l'échantillon a été de 12N, mesurée sur le plateau de la courbe de traction. Exemple 4 On a procédé comme dans l'exemple 5 sauf que le plasma était à base d'acéthylène, à une pression de 95 mTorr et que le traitement a été poursuivi jusqu'à l'obtention d'une couche de 20nm de carbone à la surface de l'échantillon. La force de traction pour dessouder l'échantillon sans rupture était de 7N. La soudure était pelable. Exemple 5 On a procédé comme dans l'exemple 4 mais la durée du traitement a été prolongée jusqu'à obtenir une couche de carbone de 40nm. La force de traction et le comportement de la soudure étaient sensiblement égaux à ceux de l'exemple 4. Exemple 6 On a procédé comme dans l'exemple 4 sauf que la puissance de chauffage a été augmentée à 3000W et que l'épaisseur de soudure était de 530 g environ. On a mesuré une force de dessoudure de 21N, sans rupture. Exemple 7 Dans cet exemple on a procédé comme dans l'exemple 6 mais l'épaisseur de la soudure a été diminuée à 440 g, par application d'une pression plus importante. La soudure n'était plus pelable et l'échantillon a présenté une résistance à la rupture de 45N. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser une soudure pelable d'éléments en matière plastique dans lequel les éléments sont pressés l'un contre l'autre et chauffés à la surface de soudure et dans lequel au moins un des éléments comprend une couche de matière non soudable couvrant, au moment où les éléments sont pressés, une partie seulement de la surface de soudure. 2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la couche de matière non soudable couvre au plus 75 % de la surface de soudure. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche de matière non soudable couvre au plus 50 % de la surface de soudure. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche de matière non soudable comprend de la matière organique polymérique réticulée. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la couche de matière non soudable comprend de la matière inorganique. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche de matière non soudable a été établie par traitement plasma des éléments. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la matière plastique constituant les éléments comprend du polychlorure de vinyle. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments sont chauffés par utilisation de rayonnement électromagnétique à haute fréquence. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche de matière non soudable a une épaisseur comprise entre 5 et 100 nm. - 12 - 10. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l'épaisseur est comprise entre 10 et 50 nm. 11. Eléments soudés en matière plastique, un au moins des éléments comprenant une couche de matière non soudable couvrant une partie seulement d'une surface de soudure, pour obtenir une soudure pelable, pouvant être obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 12. Eléments selon la revendication précédente, comprenant au moins en outre une soudure non pelable. 13. Eléments selon la revendication précédente, constituant un emballage pour usage pharmaceutique.