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RÉSUMÉ
Cet article se propose de faire le point sur le procédé de coextrusion multi-nanocouche, qui permet de combiner deux (voire plus) polymères sous la forme d’un nombre élevé de couches fines alternées. Les différentes approches possibles pour fabriquer et caractériser de telles structures multi-nanocouches, ainsi que les différents outils commerciaux existants, sont présentés. Enfin, il est montré que cette nanostratification peut conduire, dans certains cas, à des améliorations de propriétés découlant de phénomènes de confinement et/ou interfaciaux.
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Cyrille SOLLOGOUB : Docteur de l’École des Mines de Paris - Maître de Conférences au Conservatoire National des Arts Métiers (CNAM) - Chercheur au Laboratoire Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux (PIMM), UMR Arts et Métiers ParisTech, CNRS, CNAM
INTRODUCTION
La coextrusion est un procédé largement utilisé dans l’industrie qui consiste à combiner avantageusement les propriétés de plusieurs polymères en les associant sous forme de couches superposées. Dans ce procédé de coextrusion conventionnel, le nombre de couches de l’objet final (films, plaques, feuilles, profilés, tubes) est compris entre 2 et 11. Une évolution de ce procédé consiste à utiliser des dispositifs permettant une augmentation considérable des couches, leur nombre pouvant alors atteindre quelques centaines voire milliers de couches. Pour une composition donnée et une épaisseur de l’objet final fixée, une augmentation du nombre de couches s’accompagne d’une réduction de leur épaisseur qui peut atteindre théoriquement, lorsque le nombre de couches est très élevé, l’échelle nanométrique.
Des travaux ont montré que le film multi-nanocouche ainsi formé peut présenter des propriétés finales remarquables, engendrées par des phénomènes de confinement et/ou interfaciaux. Il peut donc y avoir un intérêt majeur à atteindre l’échelle nanométrique pour l’épaisseur de ces couches. Ce procédé, issu du monde industriel puis largement étudié dans le milieu académique depuis plusieurs décennies, commence à donner lieu à des applications industrielles. Les propriétés améliorées qui découlent de cette structure multicouche offrent en effet des potentialités intéressantes pour la fabrication de matériaux innovants à propriétés spécifiques et devant répondre à un cahier des charges de plus en plus strict. Le but de cet article consiste à présenter l’intérêt des structures multi-nanocouches et le principe des dispositifs permettant leur fabrication. On s’attachera à montrer les potentialités du procédé en termes d’amélioration de propriétés ainsi que ses limites.
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2. Techniques de caractérisation des structures multi-nanocouches
Une caractérisation complète de ces structures multi-nanocouches (nombre de couches, continuité, régularité, homogénéité, épaisseur) est indispensable dans l’optique d’un contrôle qualité et d’une démarche de mise en relation entre la structure et les propriétés. Dans la mesure où une caractérisation « directe » des couches est recherchée, les techniques d’observation microscopiques semblent les plus pertinentes et sont celles abordées dans cet article. Néanmoins, un certain nombre de difficultés apparaissent du fait du caractère multi-nanocouche des films :
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lorsque les couches sont très fines et très nombreuses, il est difficile de trouver une technique d’observation et d’analyse pertinente, directe, fiable, permettant de concilier vue globale et locale, ce qui pose d’emblée la question de la taille de la zone à analyser pour être représentatif de l’ensemble de l’échantillon ;
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une observation microscopique suppose la découpe et la préparation de l’état de surface, qui peut s’avérer délicate et éventuellement conduire à des phénomènes de délamination, voire d’endommagement, affectant l’observation et l’analyse de la structure ;
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une dernière difficulté est liée au contraste obtenu par la technique d’observation de la structure, indispensable pour discriminer les couches des polymères : si la nature et les propriétés des polymères utilisés pour fabriquer la structure multi-nanocouche sont généralement différentes, elles peuvent, selon les techniques microscopiques, ne pas être suffisamment discriminantes pour générer un contraste permettant une analyse pertinente.
2.1 Techniques microscopiques
Les différentes techniques classiques de microscopie sont passées en revue et leur pertinence par rapport à l’observation de ces structures multi-nanocouches est discutée.
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La microscopie optique (MO) offre, en première approche, une bonne vue d’ensemble de l’homogénéité et de la régularité des couches. Le contraste entre...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SCHRENK (W.J.) - Method for Multilayer Coextrusion, - U.S. Pat. # 3773882 (1973).
-
(2) - TOLLAR (J.E.) - Interfacial surface generator, - U.S. Pat. # 3239197 (1966).
-
(3) - SCHRENK (W.J.), SHASTRI (R.K.), AYERS (R.E.) - Interfacial surface generator, - U.S. Patent # 5094788 (1992).
-
(4) - Technologie de Multiplication des Couches (TMC) de EDI® - * - (Source : http://www.nordson.com/fr-FR/divisions/polymer-processing-systems/products/feedblocks-co-extrusion/layer-multiplication-technology-lmt).
-
(5) - DOOLEY (J.), ROBACKI (J.), JENKINS (S.), WRISLEY (R.), LEE (P.C.) - Development of Microlayer Blown Film Technology by Combining Film Die and Layer Multiplication Concepts, - Polymer Engineering & Science, 56 (5) : p. 598-604 (2016).
-
(6) - SCHIRMER (H.G.) - Layer...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Extrusion de film à plat : cast film.
-
Coextrusion de feuilles et plaques.
ANNEXES
Filière NanolayerTM de Cloeren Incorporated :
Technologie de multiplication des couches EDI :
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Sluijters, R., Mixing Apparatus. 1962. US 3051453.
Tollar, J.E., Interfacial surface generator. 1966. US 3239197 A.
Schrenk, W. J., Method for Multilayer Coextrusion, US 3773882.
Schrenk W.J., Shastri R.K., Ayres R.F.., Gosen D.J., Interfacial surface generator, US 5094788 A.
Cloeren P.F., Method and apparatus for orienting layers in multilayered composites, EP 1507641 A1.
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