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, notamment un faible coût, une excellente aptitude à la transformation, une stabilité chimique remarquable et des caractéristiques physiques personnalisables. Parmi les diverses applications des polyoléfines, les films occupent une place prépondérante, remplissant des fonctions essentielles dans les emballages alimentaires, les revêtements agricoles, les emballages industriels, les produits médicaux et d'hygiène, et les biens de consommation courante. Les résines polyoléfiniques les plus couramment utilisées pour la production de films sont le polyéthylène (PE) – comprenant le polyéthylène basse densité linéaire (PEBDL), le polyéthylène basse densité (PEBD) et le polyéthylène haute densité (PEHD) – et le polypropylène (PP).
La fabrication de 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 principaux.
1. Procédé d'extrusion de film soufflé
L'extrusion de films soufflés est l'une des méthodes les plus répandues pour la production de films polyoléfines. Son principe fondamental consiste à extruder verticalement un polymère fondu à travers une filière annulaire, formant ainsi une paraison tubulaire à parois minces. De l'air comprimé est ensuite introduit à l'intérieur de cette paraison, la faisant gonfler en une bulle d'un diamètre nettement supérieur à celui de la filière. À mesure que la bulle monte, elle est refroidie et solidifiée par un anneau d'air externe. La bulle refroidie est ensuite comprimée par un ensemble de rouleaux pinceurs (souvent via un cadre de compression ou un cadre en A), puis tirée par des rouleaux de traction avant d'être enroulée sur un rouleau. Le procédé de soufflage de films produit généralement des films à orientation biaxiale, ce qui signifie qu'ils présentent un bon équilibre de propriétés mécaniques dans le sens machine (MD) et le sens transversal (TD), telles que la résistance à la traction, la résistance à la déchirure et la résistance aux chocs. L'épaisseur du film et les propriétés mécaniques peuvent être contrôlées en ajustant le rapport de soufflage (BUR – rapport entre le diamètre de la bulle et le diamètre de la matrice) et le rapport d'étirage (DDR – rapport entre la vitesse d'enroulement et la vitesse d'extrusion).
2. Procédé d'extrusion de film coulé
L'extrusion de films coulés est un autre procédé essentiel de production de films polyoléfines, particulièrement adapté à la fabrication de films exigeant des propriétés optiques supérieures (par exemple, une transparence et une brillance élevées) et une excellente uniformité d'épaisseur. Dans ce procédé, le polymère fondu est extrudé horizontalement à travers une filière plate en T à fente, formant une bande fondue uniforme. Cette bande est ensuite rapidement étirée sur la surface d'un ou plusieurs rouleaux refroidisseurs à grande vitesse et à refroidissement interne. La matière fondue se solidifie rapidement au contact de la surface du rouleau froid. Les films coulés présentent généralement d'excellentes propriétés optiques, un toucher doux et une bonne thermoscellabilité. Un contrôle précis de l'espacement des lèvres de la filière, de la température du rouleau refroidisseur et de la vitesse de rotation permet une régulation précise de l'épaisseur du film et de la qualité de surface.
Les 6 principaux défis de l'extrusion de films en polyoléfine
Malgré la maturité de la technologie d'extrusion, les fabricants rencontrent fréquemment des difficultés de mise en œuvre lors de la production pratique de films polyoléfines, notamment lorsqu'ils recherchent un rendement élevé, une efficacité accrue, des épaisseurs plus fines et l'utilisation de nouvelles résines hautes performances. Ces problèmes affectent non seulement la stabilité de la production, mais aussi directement la qualité et le coût du produit final. Les principaux défis sont les suivants :
1. Rupture de fusion (peau de requin) : Il s'agit de l'un des défauts les plus courants lors de l'extrusion de films polyoléfines. Macroscopiquement, elle se manifeste par des ondulations transversales périodiques ou une surface irrégulièrement rugueuse du film, ou, dans les cas les plus graves, par des déformations plus prononcées. La rupture de fusion se produit principalement lorsque la vitesse de cisaillement du polymère fondu sortant de la filière dépasse une valeur critique, entraînant des oscillations de type « stick-slip » entre la paroi de la filière et le matériau fondu, ou lorsque la contrainte d'extension à la sortie de la filière dépasse la résistance du matériau fondu. Ce défaut compromet gravement les propriétés optiques du film (transparence, brillance), son lissé de surface et peut également dégrader ses propriétés mécaniques et barrières.
2. Bave de matrice / Accumulation de matrice : Il s'agit de l'accumulation progressive de produits de dégradation du polymère, de fractions de faible poids moléculaire, d'additifs mal dispersés (pigments, agents antistatiques, agents glissants) ou de gels provenant de la résine, sur les bords des lèvres de la matrice ou dans la cavité de la matrice. Ces dépôts peuvent se détacher pendant la production, contaminer la surface du film et provoquer des défauts tels que des gels, des stries ou des rayures, affectant ainsi l'apparence et la qualité du produit. Dans les cas les plus graves, l'accumulation de matrice peut bloquer la sortie de la matrice, entraînant des variations de calibre, des déchirures du film et, à terme, des arrêts de la ligne de production pour nettoyage de la matrice, entraînant des pertes importantes d'efficacité et un gaspillage de matières premières.
3. Pression d'extrusion élevée et fluctuations : Dans certaines conditions, notamment lors du traitement de résines à haute viscosité ou de l'utilisation d'espaces de filière réduits, la pression au sein du système d'extrusion (notamment au niveau de la tête d'extrusion et de la filière) peut devenir excessivement élevée. Une pression élevée augmente non seulement la consommation d'énergie, mais représente également un risque pour la longévité des équipements (vis, fourreau, filière, etc.) et la sécurité. De plus, les fluctuations instables de la pression d'extrusion entraînent directement des variations de débit de matière fondue, ce qui entraîne une épaisseur de film non uniforme.
4. Débit limité : Pour prévenir ou atténuer des problèmes tels que la rupture de la matière fondue et l'accumulation de matrices, les fabricants sont souvent contraints de réduire la vitesse de la vis d'extrusion, limitant ainsi le rendement de la ligne de production. Cela a un impact direct sur l'efficacité de la production et le coût de fabrication par unité de produit, ce qui complique la satisfaction de la demande du marché en films à grande échelle et à faible coût.
5. Difficulté de contrôle de l'épaisseur : L'instabilité de l'écoulement de la matière fondue, la répartition non uniforme de la température dans la matrice et l'accumulation de matière dans la matrice peuvent tous contribuer à des variations d'épaisseur du film, tant transversales que longitudinales. Cela affecte les performances de traitement ultérieures du film et ses caractéristiques d'utilisation finale.
6. Changement de résine difficile : Lors du changement de type ou de grade de résine polyoléfine, ou lors du 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. Cela entraîne un mélange d'anciens et de nouveaux matériaux, ce qui génère des matériaux de transition, allonge les temps de changement et augmente les taux de rebut.
Ces défis courants en matière de transformation freinent les efforts des fabricants de films polyoléfines pour améliorer la qualité de leurs produits et l'efficacité de leur production, et constituent également des obstacles à l'adoption de nouveaux matériaux et de techniques de transformation avancées. Par conséquent, la recherche de solutions efficaces pour surmonter ces défis est essentielle au développement durable et sain de l'ensemble du secteur de l'extrusion de films polyoléfines.
Les auxiliaires de traitement des polymères (PPA) sont des additifs fonctionnels dont la valeur principale réside dans l'amélioration du comportement rhéologique des polymères fondus lors de l'extrusion et dans 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 mature technologiquement et la plus efficace. Il s’agit généralement d’homopolymères ou de copolymères à base de monomères fluorooléfiniques 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 de liaison et à faible polarité, qui leur confèrent des propriétés physicochimiques uniques : une énergie de surface extrêmement faible (similaire au polytétrafluoroéthylène/Téflon®), une excellente stabilité thermique et une inertie chimique. De manière critique, les PPA fluoropolymères présentent généralement une faible compatibilité avec les matrices polyoléfiniques apolaires (comme le PE et le PP). Cette incompatibilité est une condition essentielle à leur migration efficace vers les surfaces métalliques de la matrice, où ils forment un revêtement lubrifiant dynamique.
Produits représentatifs : Parmi les marques leaders sur le marché mondial des PPA à base de fluoropolymères, on trouve les séries Viton™ FreeFlow™ de Chemours et Dynamar™ de 3M, qui détiennent une part de marché significative. Par ailleurs, certains grades de fluoropolymères d'Arkema (série Kynar®) et de Solvay (Tecnoflon®) sont également utilisés comme composants clés des PPA.
2. Auxiliaires de fabrication à base de silicone (PPA)
Structure chimique et caractéristiques : Les principaux composants actifs de cette classe de PPA sont des polysiloxanes, communément appelés silicones. Le squelette du polysiloxane est constitué d'une alternance d'atomes de silicium et d'oxygène (-Si-O-), auxquels sont liés des groupes organiques (généralement méthyle). Cette structure moléculaire unique confère aux matériaux siliconés une très faible tension superficielle, une excellente stabilité thermique, une bonne flexibilité et des propriétés non adhésives vis-à-vis de nombreuses substances. À l'instar des PPA fluoropolymères, les PPA à base de silicone migrent vers les surfaces métalliques des équipements de traitement pour former une couche lubrifiante.
Caractéristiques d'application : Bien que les PPA fluoropolymères dominent le secteur de l'extrusion de films polyoléfines, les PPA à base de silicone peuvent présenter des avantages uniques ou créer des effets synergétiques lorsqu'ils sont utilisés dans des scénarios d'application spécifiques ou en association avec des systèmes de résine particuliers. Par exemple, ils peuvent être envisagés pour des applications nécessitant des coefficients de frottement extrêmement faibles ou lorsque des caractéristiques de surface spécifiques sont souhaitées pour le produit final.
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Date de publication : 15 mai 2025
