Control and Optimization of Sealing Layer in Films

Le scellage à chaud est un procédé qui permet de sceller hermétiquement un emballage en appliquant de la chaleur et de la pression sur deux films de polymère pendant un temps spécifique (temps de scellage). Le scellage à chaud est utilisé dans le domaine de l'emballage pour une vaste gamme d'applications, et en particulier dans le domaine de l'emballage alimentaire. Depuis les vingt dernières années, les équipements de scellage à chaud fonctionnent sur les lignes de production, à très hautes vitesses, ce qui requiert des conditions de procédé et d'optimisation des matériaux. Les paramètres du scellage à chaud, tels que la température, le temps de scellage, la pression ainsi que les caractéristiques du matériau du film tels que le poids moléculaire, la distribution en poids moléculaire et la présence de petites et de longues ramifications de chaînes sont des facteurs clés pour contrôler la qualité finale de la zone scellée. Dans la première partie de cette étude, les relations existantes entre les paramètres du procédé de scellage à chaud et la résistance de l'interface ainsi que les mécanismes ont été étudiés. Au cours du procédé de scellage, les effets de la température, de la pression et du temps de scellage sur la force de scellage du LLDPE sont très importants. Ils ont été illustrés par une carte 3D ‘temps-température' et ‘pression-température', une méthode qui est facilement applicable à d'autres systèmes. Les mécanismes d'adhésion des polymères semi-cristallins étant mal connus, nous avons donc étudié le comportement en adhésion du LLDPE, un polymère semi-cristallin. Les résultats montrent que la dépendance ‘temps-température' de la force d'adhésion est une conséquence de la disponibilité d'une certaine fraction de la phase amorphe du polymère à l'interface du film. La force d'adhésion suit une corrélation linéaire avec la racine carrée du temps de scellage ce qui est également confirmé par les modèles de soudure. La pente de cette corrélation linéaire augmente avec la température. Par la suite, ce travail met en concurrence les deux principales approches d'analyse du comportement des chaînes du polymère : le point de vue microscopique basé sur la théorie de reptation, et le point de vue macroscopique basé sur une analyse des propriétés du polymère dans son volume. Les mécanismes de rupture et les deux surfaces pelées ont également été analysés après pelage. De plus, la topographie et la morphologie des surfaces pelées, qui ont été scellées auparavant avec différentes conditions de scellage ont été étudiées à l'aide des techniques d'AFM et SEM. Dans le cas d'une rupture des liens, la propagation la rupture génère de nombreuses fibrilles très orientées dans le sens de la rupture sur la surface du pelage. Les fibrilles étaient visibles en AFM et au SEM sur les surfaces pelées qui avaient été scellées à basses températures. Pour les spécimens scellés à plus hautes températures, la morphologie fibrillaire se développe en fibrilles plus épaisses et plus larges. Ce comportement est une conséquence d'un meilleur mouillage et interdiffusion des chaînes à hautes températures. Les paramètres de rugosité ont été comparés et agissent comme représentants du degré d'interdiffusion des molécules et d'aire de contact de la surface du film. Augmenter la température de scellage résulte en une surface plus rugueuse ce qui témoigne d'une meilleure diffusion moléculaire. Dans la deuxième partie de ce travail, le rôle de l'architecture moléculaire du polymère sur l'auto adhésion interfaciale à des températures supérieures à la température de fusion (appelé hot tack) a été étudié. Le poids moléculaire (Mw), la distribution en poids moléculaire (MWD), le nombre et la distribution de longues ramifications (LCB) et de courtes ramifications (SCB) le long des chaînes de polyéthylène sont autant de paramètres moléculaires étudiés. Cette analyse révèle une corrélation linéaire positive entre la force d'adhésion et le poids moléculaire pour des polyéthylènes métallocènes. De plus, la même corrélation est observée pour la viscosité élongationnelle transitoire ce qui met l'emphase sur le rôle de la force en fondue dans l'obtention d'une bonne force d'adhésion. Cependant l'augmentation de la présence de longues chaînes de ramification ainsi que l'augmentation de leur nombre réduisent la force d'adhésion. Les copolymères métallocènes catalysés éthylène α-oléfine ont généré une force d'adhésion supérieure à celle des polyéthylènes conventionnels et ceci est expliqué par une composition des chaînes plus homogènes pour les premiers. Enfin, il a été déterminé que la force interfaciale d'auto-adhésion était le premier facteur influençant l'interdiffusion des chaînes à travers la surface et, ensuite, la force en fondue du polymère. Finalement, dans la dernière partie de ce travail, les mélanges de polyéthylènes avec des architectures de chaînes différentes ont été étudiés. La force d'adhésion et la dépendance à la température pour des mélanges binaires de polyéthylènes métallocènes catalysés éthylène α-oléfine et de polyéthylène conventionnels, de différentes compositions, ont été analysées. Il a été observé que le niveau d'amélioration de la force d'adhésion dépend fortement de l'architecture moléculaire et des longues ramifications de chaînes. Les polymères étudiés exhibent un plateau aux hautes forces d'adhésion pour une certaine plage de température. Ce plateau est appelé ‘fenêtre de température au plateau' (plateau temperature window). Notre étude a montré que la largeur de ce plateau est corrélée avec l'aire sous la courbe ‘contrainte-élongation' obtenue grâce aux expériences de rhéologie. Il est donc suggéré qu'une plus grande ténacité du matériau en fondue résulte en un plateau de force d'adhésion plus large.

Abstract

Heat sealing is the process to achieve the hermetic closure of a package by applying heat and pressure on two polymer films for a specified dwell time. The heat sealing process has been used in packaging of a wide spectrum of products, in particular for food packaging. During the past two decades, heat sealing machinery has been developed for very high speed line production which requires very precise process condition and material optimization. Heat seal process conditions, including temperature, dwell time, and pressure as well as film characteristics such as molecular weight, molecular weight distribution, long and short chain branching are the key factors that control the final quality of the joint. In the first part of this study, we have investigated the interrelated influence of heat seal process parameters on the strengthening of the interface as well as the micro mechanisms involved. The effects of heat seal temperature, pressure, and dwell time on seal strength of LLDPE were illustrated in “time-temperature” and “pressure-temperature” 3D maps, a methodology that is easily applicable to other systems. The interfacial adhesion of semicrystalline polymers was not well understood. We thus studied the adhesion behaviour of LLDPE as a semicrystalline polymer. The results indicated that the time and temperature dependence of seal strength is a consequence of the fraction of amorphous phase available at the interface of films. The seal strength had a linear correlation with the square root of sealing time which was also supported by the welding models. The slope of this linear correlation increased with temperature. This work was followed concurrently by two main approaches: analysis of polymer chain behaviour from microscopic point of view based on reptation theory and conventional macroscopic analysis based on bulk properties of the polymer. Failure mechanisms and fractured surfaces were also analyzed after peeling. Moreover, the topography and morphology of peeled surfaces, which were sealed at different heat seal conditions, were investigated by AFM and SEM. In the debonding failure mode, the crack propagation caused numerous highly oriented fractured craze fibrils on the peeled surfaces. The fractured fibrils were visible in AFM and SEM peeled surfaces of samples sealed at low temperatures. In specimens sealed at higher temperature the fibrillar morphology developed into thicker and larger fibrils. This behaviour was a result of better wetting and interdiffusion by increasing temperature. We also utilized the comparative roughness parameters as representatives of the level of film surfaces' contact area and molecular interdiffusion. Increasing the seal temperature resulted in rougher surfaces which indicated the improved diffusion. In the second part of this work, we investigated the role of molecular architecture of the seal polymer in interfacial self-adhesion at temperatures higher than melting point i.e. hot tack. The analyzed molecular structures include molecular weight (Mw), molecular weight distribution (MWD), amount and distribution of long chain branch (LCB) and short chain branch (SCB) distribution among and along polyethylene chains. Our analysis revealed a positive linear correlation between seal strength and molecular weight for linear metallocene polyethylene. Furthermore, the same relation was observed for elongational transient viscosity emphasizing the role of melt strength in adhesion strength. However, the presence of long chain branching and increasing the long chain branch content reduced the adhesion strength. We explained the superior adhesion strength of metallocene catalyzed ethylene α-olefin copolymers compared to conventional polyethylene resins based on the homogenous composition distribution of their chains. Finally, we argued that the interfacial self-adhesion strength was primarily the outcome of chain interdiffusion across the interface and then the melt strength of the polymer. In the last part of this work, we focused on the blends of polyethylene resins with different chain architectures. The dependency of adhesion strength on temperature for binary blends of metallocene catalyzed ethylene α-olefins and conventional polyethylene resins were analyzed for a range of different compositions. We found that the level of improvement in adhesion strength depended on the molecular architecture and long chain branching. The polymer shows a plateau of its highest adhesion strength for a range of temperature, called plateau temperature window. Our findings indicated that the plateau broadness was correlated with the area under stress-strain curve of extensional rheological measurements. We thus suggested that the higher melt toughness can result in a broader plateau of adhesion strength.