Improvement of Barrier Properties of Poly(Ethylene Terephthalate)with Nanoclay

Le polyéthylène téréphtalate (PET) comme polymère d'ingénierie semi-cristallin trouve énormément d'applications dans l'industrie des emballages. Cependant, pour certaines applications comme celles des boissons gazeuses et des bières, diminuer sa perméabilité au gaz, autrement dit augmenter ses propriétés barrières, demeure un défi considérable. L'introduction de feuillets de nano-argile de silicate en tant que phase imperméable dans la matrice polymère devient ainsi une alternative intéressante. Le mélange à l'état fondu et la polymérisation in situ sont des techniques généralement utilisées pour produire des nano-composites de PET. La première méthode reste cependant préférable car elle présente des avantages économiques et environnementaux, puisqu'elle ne nécessite pas la présence de solvants ni de monomères. Dans la première phase de la présente étude, les nano-composites de PET (NCPs) ont été préparés en utilisant différentes argiles organiquement modifiées. La compatibilité avec la matrice, ainsi que la stabilité thermique de l'ensemble, jouent un rôle prépondérant dans l'évolution morphologique des NCPs. Dans la deuxième phase, des films minces de NCP ont été produits avec succès par extrusion suivi d'un étirage. L'effet de l'incorporation des argiles sur les propriétés mécaniques, barrières, thermiques et optiques des produits finaux a été étudié. Aussi, l'importance de la cristallinité lors de la solidification en sortie d'extrusion et l'influence de la présence des argiles sur le degré de cristallinité en conditions isothermes comme non-isothermes ont été investiguées.

Abstract

Polyethylene terephthalate (PET), as a semi crystalline engineering polymer, is used extensively in packaging applications. However, gas permeability is a challenge in some applications such as soft drinks and beers. The introduction of layered silicate nanoclay, as an impermeable nanoparticle phase in a polymer matrix, is an attractive approach to enhance gas barrier properties. Melt compounding and in situ polymerization are the main techniques employed to produce PET nanocomposites. The former is the preferred method for preparation of polymer nanocomposites, which has environmental and cost advantages, due to the absence of solvents and monomers. In the first phase of this work, PET clay nanocomposites (PCN) were prepared using different types of organo-modified clay, including ammonium, phosphonium and imidazolium surfactants. Both compatibility and thermal stability play an important role in morphological development of PCNs. In the second and main part of this project, PCN thin films were prepared successfully, using cast film extrusion. The effect of incorporated clay on mechanical, barrier, thermal and optical properties of the products was studied. Incorporating 3 wt% Cloisite30B into PET matrix, led to 23% reduction in oxygen permeability and 20% improvement in tensile modulus. The effect of processing conditions, including screw profile, screw speed and feeding rate, on properties of PCN films were also studied. It was found that screw speed and, accordingly, applied shear has stronger effect on barrier and mechanical properties of the final products than feeding rate (residence time). At the highest screw speed, 27% and 30% improvement in barrier properties and tensile modulus were achieved, respectively.