Polyolefin/Clay Nanocomposite Peelable Sealants: Microstructure and Performance

De nos jours, l'emballage facile à ouvrir pour une grande variété d'applications telles que les marchandises, l'électricité, l'agriculture, les aliments cosmétiques et les emballages médicaux est d'une grande importance en raison des demandes de plus en plus nombreuses des consommateurs. Les polymères à base de polyoléfines ont été largement utilisés comme matériaux d'étanchéité en raison de leurs propriétés mécaniques, rhéologiques et thermiques acceptables ainsi que de leur faible coût. Néanmoins, un grand nombre de formulations d'étanchéité constituées de mélanges à base de polyoléfine souffrent d'une fenêtre de température thermocollante pelable étroite (ΔTp). L'incorporation de l'argile organo-modifiée (organoargile) aux couches de scellement est une nouvelle approche pour réaliser des scellants pelables avec un large ΔTp. Cependant, les produits d'étanchéité pelables fabriqués à partir de nanocomposites d'argile sont à leur début et les facteurs clés contrôlant la performance de décollement des scellants nanocomposites n'ont pas encore été établis. Dans la première partie de ce travail, nous discutons de l'effet de l'incorporation de divers types d'organoargiles sur la performance de pelage du scellant polyéthylène à faible densité (LDPE). Le mélange LDPE/organoargile non modifié représente une performance de joint d'étanchéité de verrouillage semblable au scellant de LDPE pur. L'augmentation de la quantité de modificateur de surface de l'argile entraîne une amélioration des performances de décollement. L'étude de diverses teneurs en organoargiles de 2 à 10% en poids indique qu'au moins 6% en poids d'organoargile sont nécessaires pour obtenir un ΔTp d'environ 12-15 °C à partir du scellant LDPE sans l'utilisation d'agent compatibilisant. Les résultats de la diffraction des rayons X (WAXD) et de la microscopie électronique à transmission (TEM) indiquent qu'une amélioration substantielle de la dispersion et de la distribution des argiles dans la couche de scellement est obtenue en rendant l'organoargile compatible avec l'anhydride maléique greffé PE (PE-g-MA). En conséquence, le ΔTp augmente à 45 °C avec le même niveau de la teneur en organoargile (6% en poids). En augmentant le rapport pondéral PE-g-MA/organoargile de 2 à 5, une dispersion semi-exfoliante des argiles organo-modifiée dans la couche de scellement est obtenue et un ΔTp ultra-large de plus de 100 °C est atteint. L'analyse des résultats du test de pelage en T et de la microscopie électronique à balayage (MEB) de la surface de scellement des scellants indique que la dispersion et la distribution des particules d'argile dans la zone du joint sont les principaux facteurs contrôlant la performance de pelage du PE/argile les scellants nanocomposites. Dans la seconde partie de cette étude, nous examinons l'effet de la localisation de l'argile dans deux mélanges à base de LDPE, à savoir le LDPE/copolymère d'éthylène-acrylate de méthyle (EMA) et le LDPE/terpolymère éthylène-acrylate de méthyle-méthacrylate de glycidyle (EMA-GMA). Les résultats WAXD et TEM sont en accord avec les prédictions thermodynamiques qui montrent la localisation de l'argile à l'interface de LDPE/EMA et dans la phase dispersée EMA-GMA dans le mélange LDPE/EMA-GMA. La localisation de l'argile organo-modifiée est également confirmée par des analyses rhéologiques et mécaniques. L'incorporation de l'argile de 4 phr au système LDPE/EMA convertit son comportement de scellement de verrouillage en un comportement pelable avec un ΔTp large de plus de 35 °C. En revanche, l'aptitude au pelage du scellant nanocomposite à base de LDPE/EMA-GMA/organoargile a légèrement changé par rapport au scellant de mélange LDPE/EM-GMA. La localisation des particules d'argile à l'interface du mélange LDPE/EMA se traduit par une réduction de la taille des particules et de la distance interparticulaire, ce qui facilite le pontage de la fissure lors du pelage. Cependant, l'encapsulation d'organoargiles dans la phase dispersée EMA-GMA agit contre la pelabilité. Dans la troisième partie de ce travail, l'effet de la nanoargile sur la performance de pelage et le vieillissement des scellants de mélange LDPE/PB-1 sont étudiés. En utilisant l'analyse WAXD et l'imagerie TEM, on a démontré que lorsque l'argile est ajouté au mélange LDPE/PB-1, il a tendance à se localiser à l'interface des composants du mélange. Le mélange LDPE / PB-1 contenant 5% en poids d'agent d'étanchéité PB-1 et LDPE/organoargile contenant 1 phr d'argile organo-modifiée présentent tous les deux un comportement d'étanchéité semblable à celui du scellant LDPE pur. En revanche, le scellant LDPE/PB-1/organoargile contenant 5% en poids de PB-1 et 1 phr d'argile présente une performance de pelage polyvalente sur un large ΔTp d'environ 100 °C. L'efficacité de 1 phr organoargile dans l'amélioration de la pelabilité est réduite en augmentant la teneur en PB-1 dans les mélanges. Cela pourrait être dû à la plus faible couverture interfaciale des particules d'argile à l'interface des mélanges de LDPE/PB-1 en raison de l'augmentation de la teneur en PB-1. La force d'arrachement des scellants LDPE/PB-1 contenant 5 à 20% en poids de PB-1 est diminuée au cours du vieillissement en raison de la formation de cristaux de PB-1 instables après le thermoscellage, tel que démontré par les analyses par WAXD. Aucune trace de la forme cristalline métastable II n'est détectée après thermoscellage des scellants nanocomposites LDPE/PB-1/organoargile, ce qui correspond à la performance de pelage constante observée pour les scellants nanocomposites. Dans la quatrième partie de cette étude, le mécanisme sous-jacent du polymorphisme PB-1 après thermoscellage du mélange LDPE/PB-1 et des scellants nanocomposites est étudié. Les images SEM indiquent que PB-1 forme des structures nanofibrillaires dans les mélanges de LDPE/PB-1 contenant 5 à 20% en poids de PB-1. L'épaisseur moyenne des nanofibrilles de PB-1 a diminué significativement de 100 à 60 nanomètres lors de l'incorporation de 1 phr organoargile à l'agent d'étanchéité contenant 5% en poids de PB-1. L'épaisseur des nanofibrilles PB-1 a légèrement diminué de 190 à 170 nm et de 200 à 190 nm dans les scellants contenant respectivement 10 et 20% en poids de PB-1. Les résultats du FTIR et du WAXD ont révélé la présence de la forme stable I et possiblement la formation directe de la forme 1. Ceci peut être attribué à l'effet mémoire de la fusion et à la ségrégation des cristaux dans le procédé de thermoscellage rapide plutôt qu'à la fusion complète des cristaux. En plus des formes I/Iʹ, la forme métastable II est détectée juste après le thermoscellage qui est responsable du vieillissement des agents d'étanchéité LDPE/PB-1. Aucune trace de la forme II n'est observée après le thermoscellage du nanocomposite LDPE/PB-1/organoargile, alors que les cristaux avec les formes I et III sont détectés avec les caractérisations par FTIR et WAXD juste après le thermoscellage. Ceci est attribué à la cristallisation confinée des nanofibrilles PB-1 comme confirmé par les résultats de la caractérisation par FTIR polarisée qui indiquent l'orientation anisotrope des cristaux PB-1 dans les matériaux d'étanchéité nanocomposites. Ce confinement est imposé en raison de la solidification antérieure de la matrice de LDPE avec une température de cristallisation plus élevée à 95 °C comparée à celle de PB-1 à 75 °C. La cristallisation des nanofibrilles PB-1 dans du LDPE solidifié est encore confinée en présence d'organoargiles à l'interface et possiblement dans la phase PB-1. Les résultats de cette étude établissent une stratégie pour produire des produits d'étanchéité pelables avec des performances de pelage souples et constantes sur une large gamme de températures de thermoscellage.