Quels sont les facteurs qui affectent les propriétés physiques et mécaniques du film BOPE ?

Avec le développement de la synthèse et de la modification des matières premières des films polymères et de la technologie d'étirement biaxial des films plats, de nombreux films étirés biaxialement avec d'excellentes performances ont émergé. Actuellement, les principaux films plats étirés biaxialement (abrégés en : films étirés biaxialement) sont le BOPP, le BOPET et le BOPA.

Bien que le polyéthylène (PE) existe depuis de nombreuses années, son utilisation dans la production de films est énorme, principalement dans les films soufflés, les films coulés et les films étirés uniaxialement. Cependant, le film de polyéthylène biaxialement orienté (BOPE) préparé par la technologie d'étirement biaxiale de film plat a été proposé comme nouveau matériau de film en 2009. D'excellentes performances et une économie considérable font que le BOPE présente des avantages évidents par rapport aux films PE traditionnels. En même temps, il possède également des propriétés uniques que les films PE traditionnels ne possèdent pas.

Bien que la base théorique de l'étirement biaxial du BOPP, du BOPET et du BOPA ait été établie il y a de nombreuses années et largement utilisée dans la production réelle, la théorie de l'étirement biaxial du PE, un matériau courant pour les films, n'a pas encore été systématiquement établie. L’une des principales raisons est que la recherche et le développement de matières premières PE adaptées à l’étirement biaxial sont relativement lents.

L'étirage biaxial de films plats est une méthode de traitement de moulage plastique avec des exigences techniques très élevées. En plus de disposer d'un bon équipement de traitement et de matières premières adaptées, il est plus important que le personnel de production ait une compréhension et une maîtrise approfondies des propriétés des matières premières et de l'impact des conditions de traitement sur les performances du produit. La recherche et l'amélioration des matières premières ainsi que l'établissement de processus et de théories de production s'influencent et se limitent mutuellement, de sorte qu'il n'y a actuellement aucune vente de BOPE produit par la méthode du film plat. Étant donné qu’il n’existe pas de technologies de processus matures ni d’équipements de production spécifiquement destinés au BOPE, il y a de nombreux éléments que nous devons constamment explorer au cours du processus de développement du BOPE. Le principal processus de production du film BOPE

Le BOPE est produit par étirement biaxial successif à l'aide de la méthode du film plat, et son processus de production est similaire à celui du BOPP, du BOPET et du BOPA ;

La principale matière première du film BOPE est le PE. Avec le développement de la technologie de synthèse du polyéthylène, une variété de méthodes de polymérisation différentes, divers types de catalyseurs et de technologies de polymérisation ont été développés, et ainsi de multiples variétés de polyéthylène ont été développées : polyéthylène haute densité (PEHD), polyéthylène basse densité (PEBD), polyéthylène basse densité linéaire (PEBDL), polyéthylène métallocène, etc. Généralement, la structure moléculaire, la masse molaire et la distribution de la résine de polyéthylène sont contrôlées en modifiant le type et la quantité de comonomères, la méthode de polymérisation et le type de catalyseur.

Il existe de nombreuses variétés de matières premières PE avec des propriétés très différentes. Actuellement, une grande quantité de LDPE et de LLDPE est utilisée dans la production de produits en film soufflé. Actuellement, peu de BOPE sont produits à l’aide de la méthode du film plat. Dans la pratique, nous avons constaté que le LDPE ou le LLDPE avec un faible indice de fluidité à chaud (généralement une valeur MFR inférieure à 4 g/10 rain), une large distribution de masse molaire ou même une distribution bimodale conviennent à la production de BOPE.

Le LLDPE est produit par copolymérisation d'éthylène et d'α-oléfines sous l'action d'un catalyseur hautement actif avec une structure de coordination en utilisant une méthode à basse pression. La méthode de polymérisation du LLDPE est fondamentalement la même que celle du HDPE, donc sa structure moléculaire est la même que celle du HDPE, qui est une chaîne droite. Cependant, en raison de l’introduction des α-oléfines, il existe de nombreuses branches courtes et régulières sur la chaîne moléculaire. La longueur des branches LLDPE est généralement supérieure à celle des branches HDPE, et le nombre de branches est également plus élevé. Comparé au LDPE, le LLDPE ne possède pas les longues branches à chaîne propres au LDPE. La chaîne moléculaire du LLDPE a une structure avec des branches courtes. La régularité de sa structure moléculaire se situe entre celle du LDPE et du HDPE. Sa densité et sa cristallinité se situent également entre celles du PEHD et du PEBD. De plus, la distribution de masse molaire du LLDPE est plus étroite que celle du LDPE. Sa masse molaire est plus grande, donc sa viscosité à l'état fondu est supérieure à celle du LDPE, ses performances de traitement sont médiocres et il est sujet à la fracture à l'état fondu. En raison des caractéristiques structurelles du LLDPE, ses performances sont similaires à celles du LDPE et présentent les caractéristiques du HDPE.

Le PE a une structure moléculaire régulière, sa chaîne moléculaire est très molle et peut cristalliser rapidement. Et généralement, un très haut degré de cristallinité peut être atteint. Habituellement, le PE subit plus ou moins de réticulation oxydative thermique au cours du traitement, ce qui provoque des points de cristallisation, des gels et même des produits carbonisés. Par conséquent, la conception d’un système d’extrusion approprié est très importante dans le développement du film BOPE.

Jusqu'à présent, la matière première utilisée par Fosu Technology dans la recherche et le développement du BOPE est principalement le LLDPE. En raison de ses caractéristiques structurelles, le LLDPE a une viscosité à l'état fondu élevée lors de l'extrusion et l'extrudeuse doit être équipée d'un moteur haute puissance. La charge est généralement de 25 à 30 % supérieure à celle de l'extrusion du PEBD. Dans le même temps, il convient de sélectionner des paliers de butée avec des degrés de résistance plus élevés, ainsi que des vis avec des rapports d'aspect plus petits et des rainures de vis plus profondes. Si le rapport hauteur/largeur de la vis ne peut pas être modifié, la section de mesure peut être raccourcie en guise de compensation. Cette conception peut réduire efficacement le couple d'entraînement de la vis. L'approfondissement de la rainure de la vis dans la section de dosage est également bénéfique pour contrôler la température de fusion et permettre à la fusion d'obtenir une viscosité de traitement appropriée. Le LLDPE est sujet à la rupture par fusion et le film est sujet à la texture de la peau du poisson.

La solution ne consiste pas seulement à concevoir la vis de l'extrudeuse selon les exigences ci-dessus, mais également à augmenter l'espace entre les lèvres de la filière et à augmenter la température de la tête de filière et des tuyaux de raccordement à proximité. L'augmentation de l'espace entre les lèvres de la matrice et l'augmentation de la température peuvent réduire l'effet de cisaillement sur la masse fondue et également éviter une pression excessive de la matrice. Comparé au LDPE, le LLDPE a une Tm plus élevée et une température d'extrusion plus élevée, généralement autour de 170-230°C, avec une distribution de température relativement stable le long des sections de vis jusqu'à la tête de filière.

L'allongement du film polymère cristallin dépend essentiellement du degré de cristallinité, de la taille des sphérolites et des caractéristiques de déformation, tandis que le degré de cristallinité, la taille des sphérolites et leur ductilité sont contrôlés par les conditions de refroidissement et de solidification lors de la coulée. Par conséquent, lors de la préparation de feuilles épaisses non étirées avec une structure sphérolite pour l'étirement biaxial, il est nécessaire de prendre pleinement en compte les effets de l'équipement et des conditions de fonctionnement sur l'assimilation par refroidissement de la masse fondue du polymère.

Pour les pièces moulées BOPET et BOPA, des tôles épaisses amorphes ou à faible cristallinité sont obtenues par refroidissement rapide, tandis que les pièces moulées BOPP sont obtenues par refroidissement rapide pour obtenir des tôles épaisses avec une cristallinité plus faible et une granulométrie plus petite. Quant au PE à structure très régulière, il est très facile à cristalliser et possède une Tg très basse. Dans la production réelle, il est difficile de couler des feuilles épaisses de PE avec une très faible cristallinité. L'apparence des feuilles épaisses a une grande influence sur les propriétés filmogènes et l'apparence du BOPE, le moulage est donc un maillon très important dans la production du BOPE. Étant donné que le PE est très facile à cristalliser, il est facile de produire un grand nombre de piqûres sur la surface en raison d'un refroidissement inégal et d'une cristallisation inégale de la feuille. Un refroidissement inégal des deux côtés pendant la coulée peut facilement provoquer le gauchissement des tôles épaisses. Pour garantir que le dispositif de maintien des bords fonctionne normalement, il est généralement nécessaire de régler la température du rouleau de coulée et la température de l'eau du réservoir d'eau de refroidissement pour y parvenir.

Le rapport d'étirement est un paramètre de processus très important, qui a une grande influence sur les propriétés physiques et mécaniques des films orientés biaxialement, à la fois dans les directions longitudinale et transversale. À une certaine température, plus le rapport d'étirement est élevé, plus le produit du rapport d'étirement longitudinal/transversal est élevé, plus le degré d'orientation du film est élevé et plus la résistance mécanique, le module, la résistance à la perforation, les propriétés de barrière aux gaz, la brillance de surface et d'autres propriétés du film seront améliorés.

L'étirement biaxial peut modifier les propriétés physiques et mécaniques globales du film. Avec l'augmentation du rapport d'étirement et du degré d'orientation, le nombre de segments de polymère redressés augmente, les segments de connexion entre les plaquettes augmentent progressivement, la densité et la résistance du film augmentent en conséquence et l'allongement à la rupture diminue. La différence de rapport d'étirement longitudinal/transversal détermine en grande partie la différence des propriétés physiques et mécaniques longitudinales/transversales du film. Lorsqu'un étirement simultané est utilisé, les rapports d'étirement dans les directions longitudinale et transversale ne sont pas très différents, et il n'y a pas de différence évidente dans l'orientation moléculaire dans les deux directions. Lors de l'utilisation de l'étirement biaxial étape par étape, il est nécessaire de prendre en compte l'effet du préchauffage de l'étirement transversal sur l'étirement longitudinal et la désorientation des segments de chaîne orientés sur les propriétés longitudinales. Par conséquent, lors de l'utilisation d'un étirement biaxial étape par étape pour produire des films avec des propriétés longitudinales supérieures aux propriétés transversales, le choix du rapport d'étirement longitudinal/transversal est très important.

L'étirement transversal de films orientés biaxialement est un processus important et complexe, et l'ensemble du processus est réalisé dans un environnement thermique continu. L'étirement transversal des films BOPP, BOPA et BOPET présente plusieurs points de départ d'étirement, principalement causés par certains points faibles dans le sens transversal, un taux d'étirement transversal plus élevé et des impuretés, des bulles et des défauts d'apparence dans le film. Dans le même temps, l'étirement transversal présente les problèmes d'« étirement par étapes » et d'« étirement multiple inhérent », c'est-à-dire que pendant le processus d'étirement transversal, il existe plusieurs « points d'étape » dans la direction transversale du film où le film est soudainement étiré jusqu'au multiple maximum. Au fur et à mesure que le processus d'étirement progresse, les « étapes » s'étendent progressivement des deux côtés jusqu'à ce que l'étirement atteigne le « multiple d'étirement inhérent » (c'est-à-dire le produit des rapports d'étirement longitudinal/transversal). Ensuite, toute la largeur peut être étirée uniformément pour obtenir un film d'épaisseur uniforme.

Lorsque le « multiple d'étirement inhérent » n'est pas atteint, plusieurs points de départ d'étirement peuvent facilement provoquer une épaisseur inégale du film. La taille du « rapport d'étirement intrinsèque » est liée à la structure et aux propriétés du matériau polymère, et différents matériaux ont des rapports d'étirement inhérents différents. D'une manière générale, le rapport d'étirement longitudinal du BOPP est de 4,5 à 5,5, le rapport d'étirement transversal est de 7,5 à 9,9 et le « multiple d'étirement inhérent » est d'environ 40 fois ; le rapport d'étirement longitudinal du BOPA est de 2,8 à 3,5, le rapport d'étirement transversal est de 3,0 à 3,5 et le multiple d'étirement inhérent est d'environ 10 fois ; le multiple d'étirement longitudinal du BOPET est de 3 à 4 fois, le multiple d'étirement transversal est de 3 à 4 fois et le multiple d'étirement inhérent est généralement de 10 à 18 fois. Plus le rapport d'étirement est élevé, meilleure est l'orientation moléculaire du PET et plus grande est la résistance à la traction du film, mais si le rapport est trop élevé, le film est sujet à la rupture. L'étirement biaxial du film doit atteindre le « multiple d'étirement inhérent ». Actuellement, pour différents films étirés biaxialement (principalement BOPP, BOPET, BO-PA), il existe des équipements d'étirage biaxiale de films plats dédiés. Étant donné que la recherche théorique sur l'étirement biaxial du BOPP, du BOPA et du BOPET est relativement mature, le rapport d'étirement transversal est généralement déterminé lors de la conception et de l'installation de l'équipement. Dans la production réelle, le multiple d'étirement total ne peut être ajusté qu'en ajustant le rapport d'étirement longitudinal. Dans la production réelle de films orientés biaxialement, le rapport d'étirement total (c'est-à-dire le produit du rapport d'étirement longitudinal/transversal) est inférieur au « rapport d'étirement inhérent », et des bandes épaisses et une épaisseur inégale se produisent généralement.

L'étirement du PE comporte également plusieurs points de départ d'étirement et un « multiple d'étirement inhérent ». Le « multiple d'étirement inhérent » du LLDPE métallocène avec un débit massique de fusion d'environ 2 g/10 min est d'environ 40 fois, le rapport d'étirement longitudinal est de 3,5 à 6 fois et le rapport d'étirement transversal est de 7 à 10 fois, ce qui est proche de celui du BOPP.

La température et la répartition de la température dans chaque zone d’étirement sont des facteurs clés affectant l’orientation de l’étirement du film et la cristallisation. La température affecte l’orientation des chaînes moléculaires des polymères et la formation de cristaux en affectant la mobilité des chaînes moléculaires.

Lorsque la température d'étirement est supérieure à Tm, les chaînes moléculaires du polymère sont très actives. En très peu de temps et avec très peu de contraintes, les chaînes moléculaires polymères peuvent être démêlées, glissées, orientées et désorientées. Il en résulte un faible degré d’orientation du film et la résistance du film n’est pas grandement améliorée. Lorsque la température d'étirement est inférieure à Tg, la force externe ne peut provoquer que l'expansion et la contraction, les vibrations et de légères modifications de l'angle de liaison des liaisons chimiques des molécules de polymère, et une déformation élastique se produit. Lorsque la température d'étirement est comprise entre Tg et Tm (ou Tf), les segments de la chaîne moléculaire du polymère ont une forte mobilité, mais la chaîne moléculaire ne peut pas se déplacer dans son ensemble. Lorsqu'une certaine force externe est appliquée, le matériau polymère peut subir une déformation élastique et une déformation visqueuse en même temps. La contrainte de chauffage et d'étirement de l'équipement permet aux chaînes moléculaires polymères de surmonter les contraintes de certains points de réticulation physique, les segments moléculaires polymères et les chaînes moléculaires se déplacent et les molécules polymères sont orientées et maintenues le long de la direction de la contrainte. Pour la plupart des matériaux polymères thermoplastiques amorphes ou semi-cristallins, la plage de températures d'étirement se situe entre Tg et Tm (ou Tf). Le PP, le PA6 et le PET sont des matériaux semi-cristallins à Tg élevé. Dans le processus de production de films orientés biaxialement tels que BOPP, BOPA et BOPET, des feuilles à faible cristallinité ou amorphes sont obtenues par coulée à basse température. La région amorphe devient une phase continue. La partie amorphe peut avoir une forte activité à une température plus basse et est étirée dans l'état hautement élastique de Tg-Tm (ou Tf). En raison de sa forte capacité de cristallisation, la zone de cristallisation devient une phase continue, ce qui rend difficile l'étirement biaxiale du PE en un film à une température plus basse. La plage de températures d'étirement du PE se situe entre la température de fusion à laquelle la cristallisation commence et Tm, et la plage de températures pour l'étirement biaxial est plus étroite que celle du PP, du PA6 et du PET.

Dans le même temps, le PE a une forte capacité de cristallisation, et il est également nécessaire d'empêcher la croissance rapide de la cristallisation pendant le préchauffage et l'étirement de l'étirement. Les températures de préchauffage et d'étirage doivent être choisies de manière à éviter la plage de température de son taux de cristallisation maximal. La pratique a prouvé que, dans le but de maintenir les propriétés filmogènes, l'utilisation de températures de préchauffage et d'étirement plus basses est un moyen efficace d'améliorer l'orientation et la résistance mécanique des films BOPE. Étant donné que la plage de températures d'étirement du PE se situe entre la température de fusion à laquelle la cristallisation commence et Tm, et que la température maximale de cristallisation du matériau PE se situe également dans la plage de températures ci-dessus, une température de préchauffage trop élevée entraînera un étirement longitudinal collant au rouleau, une cristallisation rapide du film et une transparence réduite du film ; si la température d'étirage est trop élevée, en plus du collage facile du rouleau, les chaînes moléculaires et les segments de chaîne du polymère sont facilement désorientés, ce qui n'est pas propice à l'amélioration des propriétés mécaniques du film. Étant donné que la plage spatiale d'étirement transversal est large, pour les équipements d'étirement transversal qui utilisent le chauffage à air chaud, le contrôle de la température de l'air chaud, de la vitesse du vent de chauffage et de la pression du vent doit être uniforme et stable, sinon cela affectera l'uniformité et la continuité de l'étirement transversal du film BOPE, affectant ainsi l'uniformité de l'épaisseur transversale du film.

La résistance (y compris la résistance à la traction, la résistance à la perforation, etc.) et le retrait thermique des films orientés biaxialement sont une paire de contradictions. Des températures de préchauffage, d’étirage et de thermofixation plus basses sont propices à l’amélioration de la résistance mécanique, tandis que le retrait thermique augmentera ; tandis que des températures de préchauffage, d'étirement et de thermofixation plus élevées peuvent réduire le rétrécissement thermique, mais la résistance à la traction sera perdue. La température à utiliser doit être déterminée en fonction des différentes matières premières et des exigences d'utilisation. Étant donné que le BOPE doit généralement être composé avec d'autres matériaux de film (BOPA, BOPP, BOPET, etc.) et que la température du processus de composition est généralement supérieure à 80 °C, il est nécessaire de garantir la stabilité dimensionnelle des produits BOPE à des températures élevées. Habituellement, il y a un processus de thermofixation après l'étirement transversal, dont le but est de relâcher la contrainte de la partie amorphe, de cristalliser rapidement la partie cristallisable, de réduire le retrait thermique, d'améliorer la rigidité du film et de faire en sorte que le film BOPE ait une résistance élevée et une bonne stabilité dimensionnelle. Le thermofixage est généralement effectué à une température supérieure à la température d'étirage et inférieure à Tm. Conformément aux exigences d'utilisation, Fosu Technology a découvert par essais et erreurs lors du développement du BOPE que le rétrécissement thermique du film BOPE doit être thermofixé à 115-120℃ pendant plus de 4 s pour répondre à l'exigence d'utilisation d'un rétrécissement thermique inférieur à 5 % à 100℃.

Dans de nombreuses occasions, le film BOPE a l'exigence de transparence. La brume et la transmittance font partie des indicateurs auxquels les utilisateurs en aval accordent une attention particulière. Outre les additifs, la température a également une grande influence sur la transparence du film. En particulier pour les plastiques cristallins, les températures de préchauffage et d'étirage ne doivent pas être proches de la température du taux de cristallisation maximal, sinon une grande quantité de cristallisation affectera l'étirage du film et l'uniformité de l'épaisseur et la transparence du film après étirage. La température de thermofixation doit être sélectionnée à proximité de la température de taux de cristallisation maximale afin que le film étiré puisse cristalliser le plus rapidement possible, ce qui confère au film une résistance élevée, une bonne stabilité dimensionnelle et une bonne apparence.