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.