Introduction aux polyoléfines et à l'extrusion de films
Les polyoléfines, une classe de matériaux macromoléculaires synthétisés à partir de monomères oléfiniques tels que l'éthylène et le propylène, sont les plastiques les plus produits et utilisés au monde. Leur popularité s'explique par une combinaison exceptionnelle de propriétés : faible coût, excellente aptitude à la transformation, stabilité chimique remarquable et caractéristiques physiques modulables. Parmi les nombreuses applications des polyoléfines, les films occupent une place prépondérante et jouent un rôle essentiel dans l'emballage alimentaire, les bâches agricoles, l'emballage industriel, les produits médicaux et d'hygiène, ainsi que les biens de consommation courante. Les résines polyoléfiniques les plus fréquemment utilisées pour la production de films sont le polyéthylène (PE) – qui comprend le polyéthylène linéaire basse densité (PEBDL), le polyéthylène basse densité (PEBD) et le polyéthylène haute densité (PEHD) – et le polypropylène (PP).
La fabrication des films de polyoléfine repose principalement sur la technologie d'extrusion, l'extrusion de film soufflé et l'extrusion de film coulé étant les deux procédés de base.
1. Procédé d'extrusion de film soufflé
L'extrusion par soufflage est l'une des méthodes les plus répandues pour la production de films de polyoléfine. Son principe fondamental consiste à extruder verticalement un polymère fondu à travers une filière annulaire, formant ainsi une paraison tubulaire à paroi mince. De l'air comprimé est ensuite injecté à l'intérieur de cette paraison, provoquant son gonflement en une bulle d'un diamètre nettement supérieur à celui de la filière. Lors de son ascension, la bulle est refroidie et solidifiée par un anneau d'air externe. La bulle refroidie est ensuite écrasée par un ensemble de rouleaux de pincement (souvent via un cadre d'écrasement ou un cadre en A), puis étirée par des rouleaux de traction avant d'être enroulée sur une bobine. Le procédé de soufflage produit généralement des films à orientation biaxiale, c'est-à-dire présentant un bon équilibre de propriétés mécaniques dans le sens machine (SM) et le sens transversal (ST), telles que la résistance à la traction, la résistance au déchirement et la résistance aux chocs. L'épaisseur du film et ses propriétés mécaniques peuvent être contrôlées en ajustant le taux de gonflement (BUR – rapport du diamètre de la bulle au diamètre de la filière) et le taux d'étirage (DDR – rapport de la vitesse d'enroulement à la vitesse d'extrusion).
2. Procédé d'extrusion de film coulé
L'extrusion de films coulés est un procédé de production essentiel pour les films de polyoléfines, particulièrement adapté à la fabrication de films exigeant des propriétés optiques supérieures (par exemple, une grande clarté et une brillance élevée) et une excellente uniformité d'épaisseur. Dans ce procédé, le polymère fondu est extrudé horizontalement à travers une filière en T plate et fendue, formant une bande fondue uniforme. Cette bande est ensuite rapidement étirée sur la surface d'un ou plusieurs rouleaux refroidisseurs à grande vitesse. Le polymère fondu se solidifie rapidement au contact de la surface froide du rouleau. Les films coulés présentent généralement d'excellentes propriétés optiques, un toucher doux et une bonne thermoscellabilité. Un contrôle précis de l'écartement des lèvres de la filière, de la température des rouleaux refroidisseurs et de la vitesse de rotation permet une régulation précise de l'épaisseur et de la qualité de surface du film.
Les 6 principaux défis de l'extrusion de films polyoléfines
Malgré la maturité de la technologie d'extrusion, les fabricants rencontrent fréquemment des difficultés de mise en œuvre lors de la production de films de polyoléfine, notamment lorsqu'ils recherchent une productivité élevée, une meilleure efficacité, des épaisseurs réduites et l'utilisation de nouvelles résines haute performance. Ces problèmes affectent non seulement la stabilité de la production, mais aussi la qualité et le coût du produit final. Les principaux défis sont les suivants :
1. Fracture à chaud (effet peau de requin) : Il s’agit d’un des défauts les plus fréquents lors de l’extrusion de films de polyoléfine. Macroscopiquement, elle se manifeste par des ondulations transversales périodiques ou une surface irrégulièrement rugueuse, voire, dans les cas les plus graves, par des déformations plus prononcées. La fracture à chaud survient principalement lorsque le taux de cisaillement du polymère fondu à la sortie de la filière dépasse une valeur critique, provoquant des oscillations de type « stick-slip » entre la paroi de la filière et le polymère fondu, ou lorsque la contrainte d’extension à la sortie de la filière excède la résistance à la compression du polymère fondu. Ce défaut compromet fortement les propriétés optiques (clarté, brillance) et la régularité de surface du film, et peut également dégrader ses propriétés mécaniques et de barrière.
2. Coulures/Encrassement de la filière : Il s’agit de l’accumulation progressive de produits de dégradation du polymère, de fractions de faible masse moléculaire, d’additifs mal dispersés (pigments, agents antistatiques, agents de glissement, etc.) ou de gels provenant de la résine, au niveau des bords de la filière ou à l’intérieur de la cavité. Ces dépôts peuvent se détacher pendant la production, contaminant la surface du film et provoquant des défauts tels que des gels, des stries ou des rayures, ce qui affecte l’aspect et la qualité du produit. Dans les cas les plus graves, l’encrassement peut obstruer la sortie de la filière, entraînant des variations d’épaisseur, des déchirures du film et, en fin de compte, l’arrêt de la ligne de production pour le nettoyage de la filière, ce qui engendre des pertes importantes de productivité et un gaspillage de matières premières.
3. Pression d'extrusion élevée et fluctuations : Dans certaines conditions, notamment lors de la transformation de résines à haute viscosité ou avec des filières à faible écartement, la pression au sein du système d'extrusion (en particulier au niveau de la tête d'extrusion et de la filière) peut devenir excessive. Une pression élevée augmente non seulement la consommation d'énergie, mais présente également un risque pour la durée de vie des équipements (vis, fourreau, filière, etc.) et la sécurité. De plus, les fluctuations instables de la pression d'extrusion entraînent directement des variations du débit de matière fondue, ce qui conduit à une épaisseur de film non uniforme.
4. Débit limité : Afin de prévenir ou d’atténuer les problèmes tels que la rupture de la couche fondue et l’accumulation de résidus dans la filière, les fabricants sont souvent contraints de réduire la vitesse de la vis d’extrusion, ce qui limite le rendement de la ligne de production. Ceci a un impact direct sur l’efficacité de la production et sur le coût de fabrication unitaire, rendant difficile la satisfaction de la demande du marché pour des films à bas coût produits à grande échelle.
5. Difficultés de contrôle de l'épaisseur : L'instabilité du flux de matière fondue, la répartition non uniforme de la température dans la filière et l'accumulation de matière peuvent toutes contribuer à des variations d'épaisseur du film, tant transversalement que longitudinalement. Ceci affecte les performances de traitement ultérieures du film et ses caractéristiques d'utilisation finale.
6. Changement de résine difficile : Lors du passage d’un type ou d’une qualité de résine polyoléfine à un autre, ou lors d’un changement de mélange-maître de couleur, il est souvent difficile d’éliminer complètement les résidus de la production précédente de l’extrudeuse et de la filière. Ceci entraîne un mélange des anciens et nouveaux matériaux, la formation de matériaux de transition, un allongement des temps de changement et une augmentation du taux de rebuts.
Ces difficultés de transformation courantes limitent les efforts des fabricants de films polyoléfines pour améliorer la qualité de leurs produits et leur efficacité de production, et freinent également l'adoption de nouveaux matériaux et de techniques de transformation avancées. Par conséquent, la recherche de solutions efficaces pour surmonter ces difficultés est essentielle au développement durable et harmonieux de l'ensemble du secteur de l'extrusion de films polyoléfines.
Les adjuvants de traitement des polymères (PPA) sont des additifs fonctionnels dont la principale valeur réside dans l'amélioration du comportement rhéologique des polymères fondus lors de l'extrusion et la modification de leur interaction avec les surfaces des équipements, surmontant ainsi une série de difficultés de traitement et améliorant l'efficacité de la production et la qualité du produit.
1. PPA à base de fluoropolymères
Structure chimique et caractéristiques : Il s’agit actuellement de la classe de PPA la plus utilisée, la plus aboutie technologiquement et la plus efficace. Ce sont généralement des homopolymères ou des copolymères à base de monomères fluoro-oléfiniques tels que le fluorure de vinylidène (VDF), l’hexafluoropropylène (HFP) et le tétrafluoroéthylène (TFE), les fluoroélastomères étant les plus représentatifs. Les chaînes moléculaires de ces PPA sont riches en liaisons CF à haute énergie et faible polarité, ce qui leur confère des propriétés physico-chimiques uniques : une énergie de surface extrêmement faible (semblable à celle du polytétrafluoroéthylène/Teflon®), une excellente stabilité thermique et une inertie chimique. Point crucial, les PPA fluoropolymères présentent généralement une faible compatibilité avec les matrices polyoléfiniques non polaires (comme le PE et le PP). Cette incompatibilité est une condition essentielle à leur migration efficace vers les surfaces métalliques de la puce, où ils forment un revêtement lubrifiant dynamique.
Produits représentatifs : Parmi les marques leaders sur le marché mondial des adhésifs polymères fluoropolymères, on retrouve les gammes Viton™ FreeFlow™ de Chemours et Dynamar™ de 3M, qui détiennent une part de marché importante. Par ailleurs, certains fluoropolymères d’Arkema (gamme Kynar®) et de Solvay (Tecnoflon®) sont également utilisés comme composants clés des formulations d’adhésifs polymères.
2. Auxiliaires de traitement à base de silicone (PPA)
Structure chimique et caractéristiques : Les principaux composants actifs de cette classe d’agents lubrifiants polymères (APP) sont des polysiloxanes, communément appelés silicones. Le squelette polysiloxane est constitué d’atomes de silicium et d’oxygène alternés (-Si-O-), auxquels sont liés des groupements organiques (généralement méthyle). Cette structure moléculaire unique confère aux silicones une très faible tension superficielle, une excellente stabilité thermique, une bonne flexibilité et des propriétés antiadhésives vis-à-vis de nombreuses substances. À l’instar des APP fluoropolymères, les APP à base de silicone agissent en migrant vers les surfaces métalliques des équipements de traitement pour former une couche lubrifiante.
Caractéristiques d'application : Bien que les adhésifs polymères fluoropolymères dominent le secteur de l'extrusion de films polyoléfines, les adhésifs à base de silicone peuvent présenter des avantages uniques ou créer des effets synergiques dans certains cas d'utilisation ou en association avec des systèmes de résine particuliers. Par exemple, ils peuvent être envisagés pour des applications exigeant des coefficients de frottement extrêmement faibles ou lorsque des caractéristiques de surface spécifiques sont recherchées pour le produit final.
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Date de publication : 15 mai 2025
