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Procède de stratification à sec et sans chauffage visant à produire des stratifiés à partir de pellicules thermoplastiques et de substrats.
La présente invention concerne un produit stratifié ainsi qu'un procédé pour fabriquer ce produit à partir de pel- licules thermoplastiques et de substrats.
Le brevet américain du Demandeur n 3.360.412 décrit un procédé de stratification à sec dans lequel une pellicule thermoplastique est soudée à chaud à un substrat fait d'une matière différente de celle de la pellicule thermoplastique. Dans ce procédé, on n'utilise pas d'additifs du type adhésif ou agents de collage et on maintient la pellicule thermoplastique dans un état stable au point de vue dimensionnel jusqu'à ce
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quelle ait été amenée en contact avec le substrat.
On effec- tue le soudage à chaud de la pellicule sur le substrat en préchauffant le substrat à une température correspondant à la température de soudage à chaud de la pellioule thermoplasti- que avant de presser la pellicule et la feuille de substrat on contact étroit.de sorte que la chaleur nécessaire à l'opé- ration de soudage à chaud est fournie par le substrat.
L'invention a pour but de procurer un procède de stratification à aeo ainai que le produit obtenu, suivant lequel on test Adhérer une pellicule thermoplastique à un substrat sans utiliser d'adhésifs ou d'agenta de collage supplémentaires et sans appliquer de chaieur extérieure pendant 1'opération de stratification. D'une manière spécifique, on fait adhérer la pellicule thermoplastique à la feuille de sub- stret, à des températures inférieures à la température de fusion de la matière thermoplastique,en pressant la pellicule et la feuille de substrat en contact étroit sous des pressions élevées de manière à former une jonction mécanique à l'interface de la pellicule et du substrat.
On peut exécuter la stratifica- tion à température ambiante,si on le désire,et on peut choisir la pellicule thermoplastique dans un nombre quelconque de ma- tières thermoplastiques appropriées, bien que le procédé se prête idéalement à l'utilisation d'une polyoléfine comme ma- tière pelliculaire. De môme, la feuille de substrat peut être l'une quelconque des feuilles de matière classiques uti- lisées pour former des emballages industriels car la pelli- cule et le substrat peuvent être unis l'un à l'autre chimiquement ou chimiquement et mécanique- ment. Lorsque l'on utilise un substrat à surface lisse, tel que du papier cristal, des minces feuilles métalliques et de la cellophane, on unit le substrat à une pellicule principa- lement par voie chimique.
En variante, lorsque l'on utilise
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uns feuille de substrat comportant des interstices dans ses surfaces interfaciales, on fait adhérer le substrat à la pel- licule chimiquement et mécaniquement.
Dans le dessin annexé @ la Fig, 1 est une vue schématique d'un nouveau systè- me qui peut être utilisé pour mettre en oeuvre le procède sui- vant l'invention; la Fig. 2 eat une vue schéma tique fragmentaire d'une variante du système représenté à la Fig. 1.
Pour muttre le procédé suivant l'invention en prati- que, on colle une pellicule de matière thermoplastique sur un substrat approprié fait d'une matière différente de celle de la pel licule thermoplastique. On peut choisir la pellicule dans un grcpe comprenant un nombre quelconque de matières thermoplasti- ques et le procédé suivant l'invention convient de manière idéale pour une pellicule de polyoléfine et, en particulier, du polyéthylène, Lorsqu'on utilise une pellicule de pol>olé- fine, telle qu'une pellicule de polyéthylène comme matière thermoplastique, il faut traiter une surface de cette pelli- cula en vue de la rendre polaire pour lui permettre de se fixer au substrat.
On peut traiter la surface de la pellicule de polyoléfine pour la rendre polaire par le procédé à décharge corona selon lequel on expose la surface à traiter à une décharge corona, ou bien on peut traiter la surface par un procédé d'oxydation à l'aide d'une flamme de gaz, ces deux procédé étant bien connus. Comme le montrent les brevets amé- ricains n 3.018.189, 2.648.097 ou 2.632.921, le traitement d'une surface de la pellicule de polyoléfine vise à la rendre polaire et l'on estime que ce traitement a pour effet de créer à la surface de la pellicule des groupes réactifs qui forment des jonctions secondaires avec des groupes prévus à la surface du substrat ou qui entrent en réaction avec des groupes prévus
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à la surface du substrat.
Lorsqu'une ou plusieurs surfaces d'une pellicule de polyoléfine ont été traitées par exposi- tion à un processus de traitement à décharge électrique
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ou à une :'la:== de gat <xcy4ant) la 9111 f*ce est rendue chi- miquement réactive bien que l'on n'ait pas de connaissances précises sur la stéréochimie de la surface.
Le substrat peut 'tore fait de l'une quelconque des matières utilisées dans le domaine de l'emballage, telles que du papier kraft, du carton, de la cellophane non enduite, de la cellophane enduite d'un côté, du papier cristal, du pa- pier au bisulfite, des feuilles de papier de pâte mécanique,
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diverses feuilles métalliquea, des tôles et d'autres matiè- res d'emballage. Cependant, il est à remarquer que le procédé suivant l'invention convient idéalement pour unir la pelli- cule thermoplastique 1 un substrat présentant des interstices dans une de ses surfaces comme les papiers et cartons précités.
Lorsque le substrat comporte des interstices dans l'une de ses surfaces, la pellicule thermoplastique non seu-
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lement forme une fonction cb1liiq1Hl avec le substrat, mais flueàfroid datas les interstices et étaiillt une jonction mécanique très efficace ainsi qu'une jonction chimique plus étendue. Dans certaine cas, le substrat peut être fait d'une matière thermoplastique possédait des propriétés physiques on
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chimiques différentes de celles de la mat1ft8 th.mop1a8%iqve de la pellicule et comportant um mrfaoo qui, présente une certaine affinité pour la 8\1:It808 polaire do ia p.1l1cnJ1e thormopla8tique.
Cola 'tant! lonque l'en choisit la pellicule tbe1'llOpl..t1q".,11 faut 41"'88 0UPf*oe de ttm, pellicule soit polaire et qu'uno surface do substrat eàt me carteina affi- nit' pour la 8uPs*ce polaire de la pen1oule tber plantiqueu Dans le procédé nl.8I!t 101twantim.9 ou- on effoo- tue la jonction sens a,tPlSoa'!oa de aha1ftr t6siogre ou
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à une température inférieure à la temprature de soudage à chaud ou de fusion de la pellicule thermoplastique, il faut utiliser des pressions suffisantes pour provoquer un contact étroit entre la surface polaire de la pellicule et la surface d'affinité du substrat.
Cela étant, on amène la pellicule thermoplastique et la feuille de substrat en contact sous une pression suffisante pour expulser la majeure partie de l'air entre les surfaces interfaciales des couches du stratifié,de manière à établir le contact nécessaire pour produire une jonction chimique. Cette pression est exercée par.un équi- page de rouleaux dans l'emprise duquel la pellicule et le substrat peuvent avancer en continu.
En ce qui con- cerne la pression spécifique exercée par l'équipage de rouleaux, on a constaté qu'il est excessivement difficile de mesurer la pression dans l'emprise en kg par cm2, mais des expériences et des essais semblent indiquer qu'une pression Minimum d'environ 18 kg par cm linéaire de l'emprise est nécessaire pour produire les precsions propres à provoquer une jonction chimique.
lorsqu'on utilise une polyoléfine comme pellicule thermoplastique, il faut choisir une pellicule qui ne con- tienne pas d'agent de glissement ou d'agent antiblooage car ces agent, ou additifs migrent vers la surface et empêchent le radical présent à la surface de la pellicule de venir en con- tact suffisamment étroit avec les radicaux présents à la surfa- ce du substrat pour permettre une fonction chimique convenable.
Comme décrit plue haut, lorsque la pellicule est faite d'une polyoléfine, il faut également traiter une surface de la pel- lioule pour la rendre polaire à l'aide 4v procédé d'oxydation à flamme de gaz ou du procédé à décharge doremen. Il cet éga- lement préférable que le stratifié @uisse vieillir pendant au moins un jour lorsque la Jonction *et effentuée à tempé-
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rature ambiante afin de permettre à la jonction et à la réac- tion chimique de progresser jusque leur terme. En variante, on peut faire passer le stratifié dans un agent de chauffago ayant une température, par exemple de 66 C, pour accélérer le phénomène de jonction chimique.
A cet effet, on remarquera que des températures de cet ordre s ont nettement inférieures aux températures de soudage à chaud ou de fusion de la pelli- cule thermoplastique, telle que des pellicules de polyoléfines.
Un appareil servant à exécuter le procédé de stra- tification suivant 1'invention est représenté au dessin. Le substrat S est dévidé d'une bobine 18 qui est montée de manière à pouvoir tourner sur un bâti de support 11. Le substrat pas-
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sa autour de rouleaux fous appropriés 12 oervant à 1 "ta- ler, la construction spécifique de ces rouleaux étaleurs fous
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étant déterminée en partie par le substrat spécifique a traiter. Bien qu'il soit nécessaire d'utiliser un dispositif Orateur ou tendeur pour tendre la pellicule thermoplastique, il n'est pas nécessaire dans la plupart des cas de prévoir un tendeur pour dévider la feuille de substrat, bien qu'un tel tendeur puisse être utilisé, si on le désire.
La pellicule thermoplastique F est dévidée d'une bc-
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bine 14 qui est égalennt montée de manière 1 pouvoir tournar sur l'un de deux axée 15 fixés d 8 un balaneler de support oscillent 16 qui pivote en 18 dans un dévidoir du type à tourelle 17. On N8rq\Mra qu*,taM18 que la bobine 14 de matièrs thermoplastique est dévidée du dévidoir à tourelle,
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UJ8 autre bobine 14a est amtée sur l'autre axe 1 e t peut être sttrohs la pellicule de la première bobine par no proou- sus connu sous le DCI8 6#àpisuffl volant on qui penet un lonotiorzrwaetrt Ininterrompu du dévidoir à tourelle 17. te pelliewle est dialmmt aimée à l'équdp*go408%m%#- tiaet::
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l'aprei1 d'un tendeur délicat, à action constante et réglable, de construction bien connue de telle raçon que la pellicule soit emenée à 1?équipage de stratification dans des conditions de tension uniforme.11 est, en outre., essentiel de munir l'appa- reil d'un guide marginal pour la pellicule de telle sorte que
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la 1eule soit maintenue constannent en ligne avec le substrat pendant la stratification ainsi que de dispositifs étaleurs appro-
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pri4s, wsa3s que des rouleaux connus sous le nom de "Mount Hope", des gouleaux à lattes, ou des rouleaux à chevrons.
La fallicule F passe dans une emprise d'épissage for- née dit deux rouleaux 19 qui permettent de relier la pellicule d'une bobine à celle d'une autre bobine pendant le fonctionnement
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de l 'appareil. Les rouleaux d'épiossge forment également un d1s..\tSt dévideur à traction constante si, par exemple, ils sont .utyai4s partir de l'équipage de stratification. Dans l'appa- reil suivant l'invention, il est préférable que les rouleaux
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doinisse o soient en fait entravés à partir de l'équipage de atl't':.tl11cat1on.
La Ileule F passe également sur un rouleau étaleur fon 20 qui sort à l'amener dans l'emprise de l'équipage de stra-
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tification en substance ssns plie. Le rouleau étaleur 20 peut ètro construit de la même manière que les rouleaux étaleurs fous i2 c'<Mt-à-4ir qu'il peut N'agir d'un rouleau à chevrons, Cepen- dant, (1.- eerta1Da cas, il ost souhaitable d'entraîner mécanl- qUeAt\1t le rouleau 'tal8U1" et, dans ces cas, le rouleau étaleur pimt être un renleau Munt 8opew entraID4 ou, en variante, un god an expansible entraîné, chacun de ces rouleaux étant bien conne.
La pellicule et 1, substrat sont introduits simulta-
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nément dans l'équipage de stratification désigné par la réfé- rence 21 qui comme le montre le dessins comprend deux rouleaux extérieure 22 et 23 respectivement et un rouleau médian 24 disposé en contact d'appui avec les rouleaux extérieure. Il est à remorquer que l'équipage de stratification représenté est semblable au train de rouleaux d'une calandre classique à polir le papier qui comprend trois rouleaux quoique d'outrée dispositions de rouleaux puissent être utilisées, si on le désire.
Il est préférable d'utiliser au Mine trois rouleaux dana l'équi- page de stratification et de former au moins deux emprises pour effectuer la @tratification.
Lois rouleaux extérieurs 22 et 23 sont de préférence des rouleaux en acier trempé comportant une surface polie et chromée et présentent un creux dans lequel circule de l'eau servant à maîtriser réchauffement produit pendant la stratifi- cation et la compression qui provoque un fluage à froid. Le rouleau médian 24 est de préférence un rouleau en fibres dures pressées, en caoutchouc dur, en Nylon ou en matière analogue, bien qu'il puisse également être fait d'un métal approprié.
Comme les rouleaux de l'équipée de stratification sont en con- tact d'appui les uns avec les autres, il est préférable que seul le rouleau médian 24 soit entraîné de l'extérieur,les autres rouleaux étant entraînés par le rouleau médian.
La pression exercée par les rouleaux, comme mention- né plus haut, doit être d'au moins 18 kg par cm linéaire de 3'emprise bien qu'il solt préférable d'utiliser des pressions plus élevées dans la plupart des opérations, par exemple 54 kg par cm linéaire dans l'emprise et parfois 70 kg par cm linéaire dans l'emprise ou même plus selon les ma- tières traitées et la "dureté" du rouleau médian.
Lorsqu'une
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pellicule thermoplastique cet collée sur du papier cristal, le papier est amené à l'équipage de stratifica- tion avant d'avoir été calandre et on comprendra que l'équipage de strati@@cation ne sort pas simplement à faire adhérer la pellicule au substrat, Maie également à calandver simultanément le papier cristal de manié- re à lui conférer le f@@@ lisse désiré. De même, d'autrea sub- strats à surface non lisse doivent être simultanément calan- drés pendant l'opération de stratification. Ce processus convient paiement pour du papier précalandré.
Lorsque l'on utilise des feuilles de substrat com- portant dss interstices dans leurs surfaces$ telles que du papier kraft, du papier cristal non calandré et du papier analogue, les pressions exercées dans l'emprise sont suf- tisantes pour provoquer un fluage à froid de la pellicule F, même dans son état solide extrêmement visqueux, dans les Interstices de la feuille de substrat, produisant ainsi une jonction mécanique très efficace et facilitant l'amorçage et l'achèvement de la jonction chimique.Comme décrit plus haut, on maintient la température du système à une valeur sensi- blement inférieure à la température de fusion ou de soudage à chaud de la pellicule thermoplastique,
Il est souhaitable de laisser vieillir le stratifié si l'opération de stratifi- cation est exécutée approximativement à température ambiants.
Le stratifié L passe par après sur un rouleau éta- leur fou 25 de construction semblable à celle des rouleaux étaleurs 12 et est finalement envidé sur un noyau pour former une bobine 26 qui est supportée par un bâti renvideur 27. Lorsque l'on utilise une pellicule de poly- oléfine, une surface seulement de la pellicule doit être traitée en vue de devenir polaire, l'autre surface restant non traitée. La surface traitée de la pellicule doit être
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collée à la feuille de substrat, laissant donc exposée la surface non traitée de la pellicule.
Comme la surface non traitée de la pellicule est la surface qui passe sur les divers rouleaux et 3 ce diverses parties du système$ elle n'a absolument pas tendance à adhérer à ces partles. De même, la surface non traitée ne tend pas à s'arréter ou à coller lorsque le stratifié est envidé sur la bobine 26, la sur- face non traitée.formant une face du stratifié.
En ce qui concerne la traitement de la surface de la pellicule de polyoléfine, on peut prétraiter une surface de la pellicule ou bien incorporer un dispositif de traitement approprié à l'appareil suivant l'invention. si l'on utilise un dispositif ou un mécanisme de traitement, on peut l'instal- ler à un endroit approprié quelconque situé entre le bâti de dévidage et 1'équipage de stratification.
Bien qu'aucun additif supplémentaire, tel que des agents liants ou des adhésifs, ne soit utilisé dans le système suivant l'invention, divers types de papier peuvent étre apprêtés, si on le désire.
On a constaté que les stratifiés produits conformé- mont au procédé suivant l'invention sont supérieurs aux stratifiés obtenus par extrusion d'un revêtement. Dans le procédé de revêtement par extrusion, la matière thermoplasti- que est nécessairement chauffée à des températures relati- vement élevées et ces températures oxydent sa sur- face.
Avec un revêtement polymère soudé à chaud à un autre revêtement 'polymère, on a constaté que les températures de soudage à chaud des stratifiés formés par le procédé de revêtement par extrusion, en raison de l'oxydation superficielle, ne sont pas uniformes et sont nettement supérieures aux températures de soudage à chaud des
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stratifiés obtenus à l'aide d'un procédé suivant l'invention.
Les stratifiés fabriqués conformément à l' invention ne dé- gagent pas non plus les odeurs désagréables que l'on rencon- tre aveo les stratifiés formes par revêtement par extrusion.
Les stratifiés formé'! par revêtement par extrusion tendent également à s'incurver ou à se racourber car la matière thermoplast@@ que est extrudé- , des tompérstures extrément élevées sur des substrats non chauffés qui ont un coefficient de dilata- tion thermique différent de celui de la matière thermoplasti- que. Par la suite, lors du refroldissoment, un retrait appré- ciable de la matière thermoplastique par rapport à la feuille de substrat se produit,ce qui provoque une déformation indé- sirable.
Le procédé suivant l'invention, qui est exécuté à des températures relativement peu élevées, ne provoque cepen- dant pas cette incurvation indésirable et la couche de matiè- re thermoplastique se soude à chaud à elle-môme à des tempéra- tures uniformes sensiblement inférieures à celles des stra- tifiés à revêtement extrudé. Bien que les matières thermoplasti- ques, en général, présentent une large gamme de températures de fusion ou de soudage à chaud, les données obtenues ont indiqué une différence dans les températures de soudage à chaud des stratifiés fabriqués par le procédé suivant l'in- vention et celles des stratifiés fabriqués par revêtement par extrusion et dans lesquels la pellicule thermoplastique est du polyéthylène.
Ces aonnées indiquent que la couche de polyéthylène d'un stratifié fabriqué conformément à l'inven- tion se soude à chaud d'une manière régulière,polymère contre polymère, à une température sensiblement Inférieure à celle des couches de polyéthylène d'un stratifié à revêtement extrudé.
Cela semble être dit au fait qu'une oxydation superficielle de la surface exposée du polyé@hylène se produit et est causée par les températures élevées tandis que dans le procédé suivant
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l'invention, aucune oxydation superficielle n'a lieu car la stratification est effectuée %*4 des températures relativement basses.
Le tendeur 19 non seulement est agence et construit pour tendre la pellicule en vue de supprimer les plis, mais coopère aveo d'autres éléments du système de manière à
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étirer urrisemment.la pellicule pour que les impressions qu'elle porte éventuellement puissent être étirées dans la
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mesure voulues . L'a tirage de la pelliculo pour produire un étirage désira de ces lmpressiorapeut être effectue de la morne manière que selle décrite dans la demande de brevet américain du Demandeur no 3q8.Y91 déposée le 29 Juin 1964.L'im- pression est imprimée- sous une lClJ< 1 resserra ou de petite dlmen- sion et est étirée avant d'être appliquée sur le substrat.
Il est à remarquer également que l'encre particulière choisie a des propriétés qui la font adhérer au substrat lorsqu'elle est pressée en coutact avec lui.
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Une variante du sy6t#a* de la F1e- 1 est représentée à la Fig. 2 et permet 1e stMtiiier plus de eeux épaisseurs, et plus partitalibrement, deux feuilles de dilbbt9Qk et une feuille de pololdt1r.d. ta ng. 2 montre que la pellicule de polyoléfine F phese 3r un rpuleau fou 20a dont la surface est en matière diéloctrique. Le 8Uat 8 est introduit dans l'équipage de ctratlticlltioa qui comprend deas rouleaux ex- térieurs 2za et 23a et un 1":n!1Ma médian 2a qui sont tous de eon8t; action e de tonct10DJW118nt identiqws atat rcmleaux 22, 23 et 24 de l '1ùP8t!i de 5t"'it1cat1OD repréumti à la tig. 1.
La 9elliaulo ? peut se trouver dan. la commerce avae une face tl'''1tAJ,Do1t par à procédé 4I'OXJ t1OD Ji l'aide d'une fiamme de gatt soit par m p?<Méd< de d40b&!'p corom comme décrit :'c1S haut. Cepenc,t, ccwm 1IM feuille de & strat doit être 11o smc damc races dg la pollSeu1. ae polyoléfine, il est nécessaire de traiter la face
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non traitée de la pellicule pour pouvoir y faire adhérer les feuilles de substrat. Cela étant, un dispositif de traitement, tel que le mécanisme à électrode 30 est placé à proximité immédiate de la face non traitée de la pellicule F en vue de soumettre cette pellicu@e à un bombardement élec- tronique et de rendre cette face polaire.
On comprendra éga- lement que lorsque la pellicule F ne comporte aucune face traitée, un second mécanisme à électrode peut être Installé pour traiter l'autre face de la pellicule juste 'avant le passage de la pellicule dans l'emprise de l'équipage àe stratification.
Il ressort des paragraphes précédents que, dans le procédé suivant l'invention, il est préférable que les substrats utilisés soient du type se trouvant normalement dans le commerce et n'exigent aucun prétraitement spécial pour ce procédé. Il est à remarquer que le procédé suivant l'Invention envisage également d'utiliser une pellicule thermoplastique qui puisse être collée dans un état non chauffé à la feuille de substrat sans exiger d'additifs adhésifs ou liants.
L'invention procure donc un procédé nouveau et parti- culier pour former un stratifié à partir d'une pellicule thero- polastique et d'une feuille de substrat qui possède des qualités supérieure? à celles dea stratifiés confectionnés selon les techniques jusqu'à présent comparables.
Bien entendu, l'invention n'est en aucune manière limitée aux détails d'exécution décrits auxquels divers change- ments et modificationspeuvent 4tre apportés sans sortis de son cadre.