EP1448816B1 - Fibres thermoplastiques thermosoudables a base de polypropylene, procede de fabrication de telles fibres et non-tisse obtenu par thermoliage de telles fibres - Google Patents

Fibres thermoplastiques thermosoudables a base de polypropylene, procede de fabrication de telles fibres et non-tisse obtenu par thermoliage de telles fibres Download PDF

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EP1448816B1
EP1448816B1 EP02787568A EP02787568A EP1448816B1 EP 1448816 B1 EP1448816 B1 EP 1448816B1 EP 02787568 A EP02787568 A EP 02787568A EP 02787568 A EP02787568 A EP 02787568A EP 1448816 B1 EP1448816 B1 EP 1448816B1
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Definitions

  • the present invention relates to heat-sealable thermoplastic fibers based on polypropylene, usable for the manufacture of nonwoven by thermoling, especially in the hygienic-sanitary sector. It also relates to a method of manufacturing such fibers and a nonwoven obtained by thermoling said fibers.
  • the polyolefinic fibers in particular the polypropylene fibers, have particular characteristics which have contributed to their development: high chemical inertia, absence of polar group, low specific weight, low thermal conductivity, good insulating power, good resistance to abrasion, low water absorption, resistance to mold and bacteria, excellent color fastness achieved by inclusion of pigments during spinning.
  • These polyolefinic fibers are used in pure or mixed with other fibers in the manufacture of products from the textile sector itself, such as lingerie, sportswear and carpets or the industrial sector such as geotextiles or textiles. filters or the hygienic-sanitary sector such as sanitary napkins.
  • Polypropylene fibers are generally produced by the melt spinning technique, which consists in melting the polymer, with various additives, in an extruder at high temperature and passing the melt thus obtained through the holes of a die. , a metering pump to maintain a constant pressure during this operation.
  • the hot filaments emerging from the die are cooled by a stream of air and subjected to various operations, in particular drawing and cut to give fibers having the desirable mechanical and cohesive characteristics.
  • nonwovens from polypropylene fibers is done by various techniques, including thermoling. According to this technique, the polypropylene fibers in the form of a web are hot-compressed so as to obtain inter-fiber bonds through the localized and superficial melting of the fibers in the weld zones.
  • the first type of fiber in particular known from the documents US.4.473.677 , US.5.985.193 and WO.99 / 55942 it is two-component fibers. They are obtained by the use of two extruders, each being fed autonomously with a specific polymer, the two polymers in question having slightly different melting temperatures. During the heat-sealing operation, it is the melting of the component having the lowest temperature which makes it possible to obtain the bond between the fibers.
  • the disadvantage of this first type of fiber comes in particular relatively high manufacturing cost due to the special spinning installation which is made necessary for this co-exhusion.
  • the second type of fiber in particular known from the documents US.5.985.193 and WO.99 / 55942 it is also bi-component or bi-component fibers which consist of polymer mixture obtained directly in a single extruder.
  • the structure of the fibers is irregular, one of the components forming islands in the other component, the dimensions of said islands being a function of the miscibility of the two components.
  • the third type of fiber in particular known from the documents US.5.281.378 , US.5.318.735 , US.5.431.994 , US.5.705.119 , US.5.882.662 , US.5.985.193 and US.116.683 they are fibers presenting superficially degraded skin.
  • Such fibers are commonly referred to as skin fibers. They are obtained under special conditions of the spinning and cooling process which leads to a thermooxidative molecular degradation at the periphery of the fibers, the skin being constituted by the surface layer of polymer thus degraded. During the thermoling operation, the cohesion of the fibers between them is obtained by melting the polymer constituting the degraded skin, the latter having a lower melting temperature than that of the non-degraded polymer constituting the core of the fiber. .
  • degraded skin fibers have a number of disadvantages. Without being able to clearly explain this phenomenon, we find that the fibers with degraded skin have a softer feel, a harder hand. This inconvenience is further increased when it comes to appreciating the softness of the nonwoven obtained with these degraded skin fibers, since in the weld zones the inter-fiber bonds are themselves rigid, being formed by the degraded polymer.
  • thermo-oxidative molecular degradation it is necessary to work with a high extrusion temperature, which results in a higher energy consumption.
  • the object of the present invention is to propose novel heat-sealable polypropylene thermoplastic fibers which can be used for the manufacture of nonwoven by thermoling, in particular but not exclusively in the hygienic-sanitary field, which overcomes the aforementioned drawbacks of the invention.
  • the fibers of the present invention typically have a homogeneous cross-sectional structure, having no surface-degraded skin, which are heat-sealable under a given pressure and at a given temperature which is less than the melting temperature, thanks to an internal heating under the effect of said pressure.
  • the cohesion of the fibers between them is not obtained thanks to a portion of polymer that has a lower melting point.
  • the fibers have a completely homogeneous structure throughout their cross section, having neither degraded skin on the surface, nor islands, nor two distinct components.
  • Their macromolecular composition is determined so that an internal heating occurs when they are compressed under a given pressure, this internal heating allowing them to be heat-sealable under said pressure and at a given pressure which is lower than their melting temperature.
  • the fibers of the invention are composed of a first component with a high degree of crystallinity and at least one second constituent, compatible with the first, and whose crystallinity is less than that of first constituent.
  • the presence of the second component, with less crystallinity, constitutes a certain molecular disorder in the crystalline phase, which facilitates the initiation of a molecular slip during compression of the fibers during the so-called plastic phase phase.
  • polypropylene allows it to withstand high deformations of up to 600-700% and to keep its shape after deformation in a relatively stable manner.
  • polypropylene passes through two phases, an elastic phase and a plastic phase.
  • the elastic phase which corresponds to deformations less than or equal to 1%
  • the polypropylene cools slightly.
  • the plastic phase there is a molecular slip that propagates in the mass of polypropylene. The molecular friction thus created generates heat that raises the temperature of the fiber. Depending on the initial compression and temperature conditions, this increase in temperature may cause the polypropylene to melt.
  • the first constituent is a crystalline homopolymer of polypropylene and the second component is a copolymer of propylene and at least one other monomer chosen from ethylene, butene and ⁇ -olefins whose carbon chain comprises at least five carbon atoms.
  • the relative proportions, by weight, of the first and second components are 20 to 99% for the first component and 80 to 20% for the second component.
  • the amount of primary and-oxidant is generally less than 350 ppm.
  • a primary antioxidant is an additive that protects the polymer against the action of oxygen at high temperatures. It is preferably chosen from stereoised phenols and from lactones. Other additives are also used such as secondary antioxidants which are additives for protecting the polymer at high manufacturing temperatures, in the absence of oxygen. These include organic phosphite.
  • both secondary antioxidants and primary antioxidants are used.
  • additives may also be used such as antacid agents chosen for example from stearates, in particular of calcium or zinc, which are used to prevent corrosion phenomena.
  • Additives to protect the polymer at storage temperatures for extended shelf life can also be used. These additives are generally selected from phenols and from stereoisone amines.
  • the Applicant has found that it is essential to optimize the stability of the polymer with oxygen, at high temperatures, by using a sufficient amount of primary antioxidant, in order to remain below the threshold of initiation of the thermo-oxidative degradation during the spinning and thus to avoid the formation of the degraded skin on the surface of the fiber.
  • the second is to retain the cooling conditions of the fiber leaving the die.
  • rapid cooling is carried out, immediately out of the die, for example by blowing a stream of air at a temperature between 16 and 26 ° C, this blowing being directed directly on the spindle or polymer onion forming at the outlet of the die hole.
  • this air flow has a moisture content which is between 30 and 80%.
  • This method consists of thermoliering said sheet in weld zones by compressing the fibers in these weld zones at a temperature below their melting temperature and at a pressure which is determined so as to obtain, during their plastic deformation, a internal heating causing fusion of the fibers in the weld areas.
  • the nonwoven fabric obtained by thermoling the fibers according to the invention is characterized in that, in the weld zones, the weld points are a multilayer or laminated polymer (polymer laminate). They are formed by the plastic deformation of the fibers in the weld zones and by the interpenetration and intermingling of the polymer molecules on the surface of said fibers during the localized melting. From the point of view of their appearance, they are characterized by their homogeneity and transparency. This configuration differs from that observed during the thermobonding of fibers having a skin degraded on the surface. Indeed in this case the weld points have inter-fiber bonds in the form of filaments or membranes and have a white appearance. It should be noted that the optical transparency of the weld points can be observed only for a homogeneous polymer of very small thickness, less than one micrometer, without elements of the filament or membrane type and without microbubbles of air.
  • This configuration of the multilayer polymer-type weld points makes it possible to obtain a nonwoven having good strength. mechanical.
  • the touch of the nonwoven obtained is particularly soft. This is explained by the perfectly smooth surface state of both the fibers themselves and also inter-fiber bonds. It should be noted that the temperature and compression conditions during thermobonding are such that they do not cause any thermo-oxidative degradation at the surface of inter-fiber bonds.
  • the nonwoven obtained according to the invention has a perfectly homogeneous structure both at the level of the fibers that compose it as inter fiber bonds in the weld zones.
  • Table 1 shows the variation of the melting temperature of a mixture of a polypropylene homopolymer (HP554N produced by Basell) and a copolymer of polypropylene and polyethylene (RCXP 2130 produced by Basell).
  • the melting temperature was determined to be the temperature corresponding to the melting enthalpy peak measured by differential thermal analysis.
  • the device used is the "DSC 700" manufactured by Polymer Lab.
  • the heating rate is 3 ° C / min.
  • Table 1 Polymer HP554N (F79S) RCXP2130 (RP554M) Mixture HP554N / RCXP21 30 / 0.6 / 0.4 Melting temperature 164.5 ° C 144.1 ° C 161.5 ° C
  • the melting temperature of the mixture is lower than that of the polymer, which is an indication of the formation of a disorder at the molecular level.
  • This disorder can be observed with X-rays. It can result either from the limited displacement of certain atoms with respect to the crystallographic planes, from a dilation or a compression of the interplanar distances, or from a decrease or an increase of the concentration. in some crystallographic planes. Without the Applicant being bound by this explanation, it seems that the plastic weldability properties of the fibers are favored by this last factor which comes in the aforementioned example from the presence of methyl groups. polypropylene which change the stereographic position within the crystal structure.
  • the antioxidant composition added to the polymer mixture is very important to prevent the formation of a degraded skin detrimental to the tactile and mechanical properties of the nonwoven obtained from the fibers.
  • the concentration of antioxidant composition is of the order of 500 ppm-2000 ppm.
  • Table 2 gives three examples of compositions which are preferably incorporated into the exemplified polymer blend.
  • the oxygen stability and high temperature of the mixture obtained is measured by the TOSI (Thermal Oxidation Stability Index) method.
  • This method assumes that the MFR is a first approximation indicator of the weight average molecular weight Mw of the polymer. It consists in evaluating the molecular degradation of the polymer maintained at a constant temperature in a closed cell for a defined time, in the absence of oxygen, and in extruding it several times at high temperature in the presence of oxygen in the air.
  • MFR melting flow rate (abbreviated as MFR) originating from the polymer determined according to ASTM D-1238 (Condition L, 230/2016); B: MFR2 melt flow rate of the polymer measured according to ASTM D 1238 at 290 ° C for 18 min without oxygen; C: MIL 2 MFR of the polymer determined according to standard ASTM D 1238 (condition L; 230 / 2.16) after two heating operations at 290 ° C. for 6 min in the presence of oxygen.
  • MFR melting flow rate (abbreviated as MFR) originating from the polymer determined according to ASTM D-1238 (Condition L, 230/2016)
  • B MFR2 melt flow rate of the polymer measured according to ASTM D 1238 at 290 ° C for 18 min without oxygen
  • C MIL 2 MFR of the polymer determined according to standard ASTM D 1238 (condition L; 230 / 2.16) after two heating operations at 290 ° C. for 6 min in the presence of oxygen.
  • Composition 1 is a composition of Composition 1:
  • Composition 2 is a composition of Composition 2:
  • Composition 3 is a composition of Composition 3:
  • a cooling device comprising airflows that are turned towards the bundles or segments leaving the die, which has the effect of reducing the hot contact time of the die. the fiber with oxygen from the ambient atmosphere and increase the stability of the molten polymer column.
  • the figure 1 shows clearly that the surface of the fiber obtained by the process of the invention is perfectly smooth and the figure 2 shows well in cross section, this fiber is perfectly homogeneous. Its cross section does not in fact report any ring structure.
  • figure 3 shows that the outer surface of a core-skin fiber is irregular.
  • figure 4 we notice an external skin referenced P and a referenced heart C surrounded by this skin.
  • the Figures 5 to 9 represent an embodiment of a device for implementing the method for manufacturing a fiber according to the invention.
  • the figure 5 is a die 1 equipped with an air cooling system 2.
  • the air is supplied through the tube 2a disposed below the spinning head.
  • the fibers F which are extruded pass in front of fins 3 which will be more fully described with reference to the figures 8 and 9 .
  • the cooling air is conveyed through filters 6 at the extrusion head 4.
  • the air flow is oriented via the fins 3.
  • the heated air is evacuated.
  • the air represented by the arrows passes between the fins 3 which are pivotably mounted on a frame 5.
  • Each fin 3 is pivotally mounted by means of a pivot 3a on the frame 5.
  • the cooling air represented by the arrows is oriented by the fins 3 and comes to cool the onion of O polymer that is formed at the extrusion head 4. The heated air is then removed.
  • the cooling air is at a temperature of between 16 ° C. and 26 ° C. and has a humidity content of between 30% and 80%.
  • the fiber ply is brought to a temperature below the softening temperature of the polymeric material which constitutes said fibers and strongly compressed in certain zones so as to provoke in the fibers situated in said zones the phenomenon of creep (primer and propagation of molecular slip) discussed above.
  • the plastic phase of the deformation of the fibers under the effect of compression, there is a heating internal to the fibers, which raises the temperature thereof to the melting temperature.
  • This fusion combined with the compression causes the creation of weld points of multilayer or laminated polymer structure, homogeneous and transparent.
  • the heating temperature of the fibers is of the order of 140 ° C. to 145 ° C. for 10 ⁇ 10 -3 seconds, which corresponds to the contact time of the fibers with the compression rollers of the thermobonding installation.
  • the pressure used is calculated so as to obtain maximum cohesion of the nonwoven obtained.

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Description

  • La présente invention concerne des fibres thermoplastiques thermosoudables à base de polypropylène , utilisables pour la fabrication de non-tissé par thermoliage, spécialement dans le secteur hygiénico-sanitaire. Elle concerne également un procédé de fabrication de telles fibres ainsi qu'un non-tissé obtenu par thermoliage desdites fibres.
  • Les fibres poly-oléfiniques , en particulier les fibres de polypropylène, présentent des caractéristiques particulières qui ont contribué à leur développement : inertie chimique élevée, absence de groupe polaire, poids spécifique bas, conductibilité thermique basse , bon pouvoir isolant, bonne résistance à l'abrasion , bas pouvoir d'absorption d'eau , résistance aux moisissures et aux bactéries , excellente solidité de la couleur obtenue par inclusion de pigments pendant la filature. Ces fibres poly-oléfiniques sont utilisées en pur ou en mélange avec d'autres fibres dans la fabrication de produits ressortant du secteur textile proprement dit , tels la lingerie, les vêtements de sport et les tapis ou encore du secteur industriel tels les géotextiles ou les filtres ou encore du secteur hygiénico-sanitaire telles les serviettes hygiéniques. Dans ce secteur hygiénico-sanitaire, ce sont les propriétés de résistance aux moisissures et aux bactéries, l'inertie chimique et le faible taux d'absorption d'eau qui constituent les avantages principaux des fibres poly-oléfiniques et en particulier du polypropylène. En effet ces fibres sont considérées comme atoxiques et non cytotoxiques.
  • Les fibres de polypropylène sont généralement produites selon la technique du filage par voie fondue , qui consiste à fondre le polymère, avec différents additifs , dans une extrudeuse à température élevée et à faire passer le matériau fondu ainsi obtenu à travers les trous d'une filière , une pompe doseuse permettant de maintenir une pression constante pendant cette opération. Les filaments chauds sortant de la filière sont refroidis par un flux d'air et soumis à différentes opérations , notamment d'étirage et de coupe afin de donner des fibres ayant les caractéristiques mécaniques et de cohésion souhaitables.
  • La fabrication de non-tissés à partir de fibres de polypropylène se fait par différentes techniques parmi lesquelles le thermoliage. Selon cette technique, les fibres de polypropylène se présentant sous forme d'une nappe sont comprimées à chaud de manière à obtenir des liaisons inter-fibres grâce à la fusion localisée et superficielle des fibres dans des zones de soudure.
  • Jusqu'à ce jour on connaît trois types de fibres de polypropylène spécialement conçues pour être mises en oeuvre dans la fabrication de non-tissés par la technique de thermoliage.
  • Selon le premier type de fibre , notamment connu par les documents US.4.473.677 , US.5.985.193 et WO.99/55942 , il s'agit de fibres bi-composants. Elles sont obtenues par la mise en oeuvre de deux extrudeuses , chacune étant alimentée de façon autonome avec un polymère spécifique , les deux polymères en question ayant des températures de fusion légèrement différentes. Lors de l'opération de thermoliage , c'est la fusion du composant ayant la température la plus basse qui permet d'obtenir la liaison entre les, fibres. L'inconvénient de ce premier type de fibre provient en particulier du coût de fabrication relativement élevé du fait de l'installation spéciale de filage qui est rendue nécessaire pour cette co-exhusion.
  • Selon le second type de fibre , notamment connu par les documents US.5.985.193 et WO.99/55942 , il s'agit également de fibres bi-composants ou bi-constituants qui sont constituées de mélange de polymère obtenu directement dans une seule extrudeuse. La structure des fibres est irrégulière, l'un des composants formant des îlots dans l'autre composant, les dimensions desdits îlots étant fonction de la miscibilité des deux composants.
  • Selon le troisième type de fibre , notamment connu par les documents US.5.281.378 , US.5.318.735 , US.5.431.994 , US.5.705.119 , US.5.882.662 , US.5.985.193 et US.116.683 , il s' agit de fibres présentant superficiellement une peau dégradée. De telles fibres sont couramment dénommés skin fibers. Elles sont obtenues dans des conditions particulières du processus de filage et de refroidissement qui conduisent à une dégradation moléculaire thermooxydative en périphérie des fibres , la peau étant constituée par la couche superficielle de polymère ainsi dégradé. Lors de l'opération de thermoliage , la cohésion des fibres entre-elles est obtenue par la fusion du polymère constituant la peau dégradée , celle-ci présentant une température de fusion plus basse que celle du polymère non-dégradé constituant le coeur de la fibre.
  • Il ressort de l'examen ci-dessus des trois types de fibres de polypropylène qui ont été spécialement conçues pour être mises en oeuvre dans la fabrication de non-tissés par thermoliage que la cohésion des fibres entre-elles est toujours obtenue grâce à une portion de polymère , située en surface de la fibre , qui présente une température de fusion plus basse que le polymère constituant le reste de la fibre. La portion de polymère à température de fusion plus basse permet de créer les liaisons inter-fibres dans le non-tissé tandis que le reste de polymère, non touché directement par le thermoliage , assure le maintien des propriétés mécaniques des fibres.
  • En ce qui concerne le coût de fabrication des trois types de fibres précités, c'est sans aucun doute les fibres à peau dégradée qui sont les plus performantes puisque leur fabrication ne nécessite pas d'installation particulière mais seulement la mise en oeuvre de conditions adéquates lors du filage et du refroidissement.
  • Cependant les fibres à peau dégradée présentent un certain nombre d'inconvénients. Sans que l'on puisse clairement expliquer ce phénomène, on constate que les fibres comportant une peau dégradée ont un toucher moins doux, une main plus dure. Ce désagrément est encore accru lorsqu'il s'agit d'apprécier la douceur du non-tissé obtenu avec ces fibres à peau dégradée , du fait que dans les zones de soudure les liaisons inter-fibres sont elles-mêmes rigides , étant formée par le polymère dégradé.
  • Par ailleurs pour obtenir, lors du filage , une peau dégradée , il est , selon le demandeur , nécessaire de travailler dans des conditions opératoires précises , avec donc une fenêtre opérationnelle (operating window) assez restreinte. La difficulté de contrôler ces conditions opératoires conduit à des variations fréquentes de la qualité du non-tissé obtenu avec de telles fibres.
  • Enfin pour l'obtention de la dégradation moléculaire thermo-oxydative, il est nécessaire de travailler avec une température d'extrusion élevée , ce qui entraîne une consommation énergétique plus importante.
  • Le but de la présente invention est de proposer de nouvelles fibres thermoplastiques thermosoudables à base de polypropylène, qui soient utilisables pour la fabrication de non-tissé par thermoliage , notamment mais non-exclusivement dans le domaine hygiénico-sanitaire , qui pallient les inconvénients précités des trois types de fibres de polypropylène proposés jusqu'à présent.
  • Ce but est parfaitement atteint par les fibres de la présente invention, qui , de manière caractéristique , ont une structure homogène en section transversale , ne comportant pas de peau dégradée en surface , qui sont thermosoudables sous une pression donnée et à une température donnée qui est inférieure à la température de fusion, grâce à un échauffement interne sous l'effet de ladite pression.
  • Ainsi, contrairement aux trois types de fibres précités , la cohésion des fibres entre-elles n'est pas obtenue grâce à une portion de polymère qui a une température de fusion plus basse. Selon la disposition particulière de l'invention, les fibres ont une structure totalement homogène dans toute leur section transversale , ne comportant ni peau dégradée en surface , ni îlots, ni deux composants distincts. Leur composition macromoléculaire est déterminée en sorte que se produise un échauffement interne lorsqu'elles sont comprimées sous une pression donnée, cet échauffement interne permettant qu'elles soient thermosoudables sous ladite pression et à une pression donnée qui est inférieure à leur température de fusion.
  • De préférence , pour obtenir cet échauffement interne sous pression, les fibres de l'invention sont composées d'un premier constituant à critallinité élevée et d'au moins un second constituant, compatible avec le premier , et dont la cristallinité est moindre que celui du premier constituant.
  • La présence du second constituant, à cristallinité moindre , constitue un certain désordre moléculaire dans la phase cristalline, ce qui facilite l'amorce d'un glissement moléculaire lors de la compression des fibres pendant la phase dite phase plastique.
  • Le comportement plastique du polypropylène lui permet de résister à des déformations élevées , pouvant aller jusqu' à 600 à 700%, et de garder sa forme après déformation d'une manière relativement stable. Au cours du processus de compression, le polypropylène traverse deux phases, une phase élastique et une phase plastique. Pendant la phase élastique qui correspond à des déformations inférieures ou égales à un 1%, le polypropylène se refroidit légèrement. Dans la phase plastique , il se produit un glissement moléculaire qui se propage dans la masse du polypropylène. La friction moléculaire ainsi créée génère de la chaleur qui élève la température de la fibre. Selon les conditions de compression et de température initiales, cette augmentation de température peut provoquer la fusion du polypropylène.
  • La présence du second constituant à cristallinité moindre permet d'obtenir cette fusion de manière quasi-instantanée dans des conditions de pression et de température acceptables pour une opération de thermoliage.
  • Dans une variante de réalisation, le premier constituant est un homopolymère cristallin de polypropylène et le second constituant est un copolymère de propylène et d'au moins un autre monomère choisi parmi l'éthylène , le butène et les α-oléfines dont la chaîne carbonée comporte au moins cinq atomes de carbone.
  • De préférence , les proportions relatives, en poids, des premier et second constituants sont de 20 à 99% pour le premier constituant et de 80 à 20% pour le second constituant.
  • C'est un autre objet de l'invention que de proposer un procédé spécialement conçu pour la fabrication par filage des fibres précitées. De manière caractéristique , ce procédé met en oeuvre des conditions de filage qui évitent la dégradation moléculaire thermo-oxydative en périphérie des fibres lors du filage.
  • Parmi ces conditions particulières , on retient en premier lieu la présence d'une quantité importante d'additif anti-oxydant et tout particulièrement une quantité d'anti-oxydant primaire comprise entre 350 et 1000ppm.
  • Conventionnellement, lors du filage du polypropylène, la quantité d'and-oxydant primaire est en général inférieure à 350 ppm.
  • Un anti-oxydant primaire est un additif qui assure la protection du polymère à l'encontre de l'action de l'oxygène à de hautes températures. Il est choisi de préférence parmi les phénols stéréo-empêchés et parmi les lactones. D'autres additifs sont également utilisés tels que des anti-oxydants secondaires qui sont des additifs destinés à protéger le polymère aux hautes températures de fabrication, en l'absence, d'oxygène. Il s'agit notamment de phosphite organique.
  • De préférence, dans les fibres selon l'invention, on met en oeuvre à la fois des anti-oxydants secondaires et des anti-oxydants primaires.
  • D'autres additifs peuvent être également utilisés tels que des agents anti-acides choisis par exemple parmi les stéarates, notamment de calcium ou de zinc, qui sont utilisés pour éviter des phénomènes de corrosion.
  • On peut également utiliser des additifs destinés à protéger le polymère aux températures de stockage pour des temps prolongés (shelf life). Ces additifs sont généralement choisis parmi les phénols et parmi les amines stéréo-empêchés.
  • Le demandeur a constaté qu'il était essentiel d'optimiser la stabilité du polymère à l'oxygène, à des températures élevées, en mettant en oeuvre une quantité suffisante d'anti-oxydant primaire , afin de rester en-dessous du seuil d'amorce de la dégradation thermo-oxydative lors du filage et donc d'éviter la formation de la peau dégradée en surface de la fibre.
  • Parmi les conditions particulières évitant la dégradation moléculaire thermo-oxydative en périphérie des fibres lors du filage, on retient en second lien les conditions de refroidissement de la fibre en sortie de filière.
  • Plus particulièrement , on procède à un refroidissement rapide, immédiatement en sortie de filière , par exemple par soufflage d'un flux d'air à une température comprise entre 16 et 26°C, ce soufflage étant dirigé directement sur le fuseau ou oignon de polymère se formant en sortie du trou de la filière. Avantageusement ce flux d'air a un taux d'humidité qui est compris entre 30 et 80%.
  • C'est un autre objet de l'invention que de proposer un procédé de fabrication d'un non-tissé à partir d'une nappe de fibres à base de polypropylène à structure cristalline possédant les caractéristiques décrites ci-dessus. Ce procédé consiste à thermolier ladite nappe selon des zones de soudure en comprimant les fibres dans ces zones de soudure à une température inférieure à leur température de fusion et à une pression qui est déterminée en sorte d'obtenir , lors de leur déformation plastique , un échauffement interne provoquant la fusion des fibres dans les zones de soudure.
  • Il est à remarquer que le non-tissé qui est obtenu par thermoliage des fibres selon l'invention se caractérise en ce que, dans les zones de soudure , les points de soudure se présentent comme un polymère multicouches ou stratifié (polymer laminate). Ils sont formés par la déformation plastique des fibres se trouvant dans les zones de soudure et par l'interpénétration et l'entremêlement des molécules de polymère en surface desdites fibres lors de la fusion localisée. Du point de vue de leur aspect, ils se caractérisent par leur homogénéité et leur transparence. Cette configuration diffère de celle observée lors du thermoliage de fibres présentant une peau dégradée en surface. En effet dans ce cas les points de soudure comportent des liaisons inter-fibres sous forme de filaments ou de membranes et ont un aspect blanc. Il est à noter que la transparence optique des points de soudure ne peut être observée que pour un polymère homogène de très faible épaisseur, inférieure au micromètre, sans éléments de type filaments ou membranes et sans micro-bulles d'air.
  • Cette configuration des points de soudure de type polymère multicouches permet d'obtenir un non-tissé ayant une bonne résistance mécanique.
  • Lorsqu'on soumet un non-tissé formé de fibres avec peau dégradée à un test de rupture , on constate que cette rupture intervient autour et en dehors de points de soudure , par casse des fibres unitaires. Par contre lorsqu'on soumet un non-tissé formé de fibres de la présente invention à un test de rupture , cette rupture intervient d'abord à l'intérieur et secondairement à l'extérieur des points de soudure , par séparation des fibres et secondairement par casse des fibres unitaires.
  • De plus le toucher du non-tissé obtenu est particulièrement doux. Ceci s'explique par l'état de surface parfaitement lisse à la fois des fibres elles-mêmes et également des liaisons inter fibres. Il est à noter que les conditions de température et de compression lors du thermoliage sont telles qu'elles n'entraînent aucune dégradation thermo-oxydative au niveau de la surface des liaisons inter fibres. Ainsi le non-tissé obtenu selon l'invention présente une structure parfaitement homogène à la fois au niveau des fibres qui la composent que des liaisons inter fibres dans les zones de soudure.
  • La présente invention, ses caractéristiques et les différents avantages qu ils procurent apparaîtront encore plus clairement à la lecture de la description qui va être faite d'exemples de réalisation de fibres thermosoudables de structure homogène , sans peau dégradée en surface, illustrée par le dessin annexé dans lequel :
    • La figure 1 représente une vue de la surface externe d'une fibre de l'invention ;
    • La figure 2 représente une vue en coupe transversale de la fibre de la figure 1;
    • La figure 3 représente une vue de la surface externe d'une fibre ayant une structure coeur-peau ;
    • La figure 4 représente une vue en coupe transversale de la fibre de la figure 3;
    • La figure 5 représente un schéma d'un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé de l'invention ;
    • La figure 6 représente un agrandissement en vue de face dé la zone de refroidissement du dispositif de la figure 5 ;
    • La figure 7 représente une vue en coupe de la figure 6 ; et
    • Les figures 8 et 9 représentent plus en détails les ailettes orientables du système de refroidissement.
    Exemple de composition des fibres de l'invention
  • Le tableau 1 suivant montre la variation de la température de fusion d'un mélange d'un homopolymère de polypropylène (HP554N produit par la société Basell) et d'un copolymère de polypropylène et de polyéthylène (RCXP 2130 produit par la société Basell). La température de fusion a été déterminée comme étant la température correspondant au pic d'enthalpie de fusion mesurée par analyse thermique différentielle. Le dispositif utilisé est le « DSC 700 » fabriqué par la société Polymer Lab. La vitesse de chauffe est de 3°C/min. Tableau 1
    Polymère HP554N (F79S) RCXP2130 (RP554M) Mélange HP554N/RCXP21 30/ 0,6/0,4
    Température de fusion 164,5°C 144,1°C 161,5°C
  • La température de fusion du mélange est inférieure à celle du polymère, ce qui est un indice de la formation d'un désordre à l'échelle moléculaire. Ce désordre peut être observé aux rayons X. Il peut résulter soit du déplacement limité de certains atomes par rapport aux plans cristallographiques , soit d'une dilatation ou d'une compression des distances inter planaires , soit à une diminution ou une augmentation de la concentration électronique sur certains plans cristallographiques. Sans que le Demandeur ne soit lié par cette explication, il semble que les propriétés de soudabilité plastiques des fibres soit favorisées par ce dernier facteur qui provient dans l'exemple précité de la présence de groupements méthyl du polypropylène qui modifient la position stéréographique à l'intérieur de la structure cristalline.
  • Il est également possible selon l'invention d'utiliser un copolymère polypropylène-polyéthylène dont la structure cristalline présente un certain désordre du fait de la présence de segments de chaînes de polyéthylène dans la structure cristalline du polypropylène. Néanmoins, la fabrication de ce copolymère nécessite d'être rigoureusement contrôlée afin de conférer au matériau final de bonnes propriétés de plasticité. Ceci n'est pas le cas lorsqu'on utilise le mélange précité.
    • Composition antioxydante
  • Le demandeur a mis en évidence que la composition antioxydante ajoutée au mélange de polymères est très importante pour éviter la formation d'une peau dégradée nuisible aux propriétés tactiles et mécaniques du non-tissé obtenu à partir des fibres.
  • Dans le cadre de la présente invention, la concentration en composition antioxydante est de l'ordre de 500ppm-2000ppm.
  • Le tableau 2 suivant donne trois exemples de compositions qui sont de préférence incorporées au mélange de polymère cité en exemple.
  • La stabilité à l'oxygène et aux hautes températures du mélange obtenu est mesurée par la méthode TOSI (Thermal Oxidation Stability Index) F. Polato : Comunicazione privata , Nov. 30.1998. Cette méthode suppose que le MFR est un indicateur en première approximation du poids moléculaire moyen en masse Mw du polymère. Elle consiste à évaluer la dégradation moléculaire du polymère maintenu à température constante en cellule close pendant un temps défini, en l'absence d'oxygène et à extruder celui-ci plusieurs fois à haute température en présence d'oxygène de l'air. Tableau 2
    Composition antioxydante A MFR B MFR2 C MIL2
    1 8,50 116,90 153,83
    2 8,50 28,22 66,90
    3 8,50 62,80 143,20
    A : MFR taux de flux en fusion ("melting flow rate" abrégé en MFR) originaire du polymère déterminé selon la norme ASTM D-1238 (Condition L;230/2016) ;
    B : MFR2 taux de flux en fusion du polymère mesuré selon la norme ASTM D 1238 à 290°C pendant 18 min sans oxygène ;
    C : MIL 2 MFR du polymère déterminé selon la norme ASTM D 1238 (condition L ; 230/2.16) après deux chauffages à 290°C pendant 6 min en présence d'oxygène.
    • Composition 1 :
  • Concentration totale : 500 ppm
    Phénol stéréo empêchés choisi parmi C.A.S. N°s 6683-19-8, 27676-62-6 et 2082-79-3) / photo stabilisateur / phosphites organiques choisi parmi CAS Ns 31570-04-4 et 119345-01-6
    • Composition 2 :
  • Concentration totale : 1 200 ppm
    Lactone C.A.S. N°s 18131-48-7 / photo stabilisateur : amine stéréo encombrée / phosphites organiques choisis parmi CAS N° 31570-04-4, 119345-01-6
    • Composition 3 :
  • Concentration totale : 750 ppm
    Phénol stéréo empêchés choisi parmi C.A.S. N°s 6683-19-8, 27676-62-6 et 2082-79-3) / phosphites organiques choisi parmi CAS Ns 31570-04-4 et 119345-01-6. On a ajouté à toutes les compositions précédentes 500 ppm de stéarate de calcium.
    • Procédé de fabrication de la fibre
  • Pour éviter toute dégradation thermo-oxydative en sortie de filière, on utilise un dispositif de refroidissement comportant des flux d'air qui sont tournés vers les faisceaux ou segments sortant de la filière ce qui a pour effet de réduire le temps de contact à chaud de la fibre avec l'oxygène de l'atmosphère ambiante et d'augmenter la stabilité de la colonne de polymère fondu.
  • La figure 1 montre bien que la surface de la fibre obtenue par le procédé de l'invention est parfaitement lisse et la figure 2 montre bien qu'en coupe transversale , cette fibre est parfaitement homogène. Sa coupe transversale ne fait en effet état d'aucune structure en anneau.
  • Par comparaison , la figure 3 montre que la surface externe d'une fibre à structure coeur-peau est irrégulière. En coupe transversale (figure 4) on remarque une peau externe référencée P et un coeur référencé C entouré par cette peau.
  • Les figures 5 à 9 représentent un mode de réalisation d'un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé de fabrication d'une fibre selon l'invention.
  • La figure 5 représente une filière 1 équipée d'un système de refroidissement par air 2. L'arrivée d'air s'effectue par le tube 2a disposé en-dessous de la tête de filage. En référence à la figure 6, les fibres F qui sont extrudées passent devant des ailettes 3 qui seront plus amplement décrites en référence aux figures 8 et 9. En référence à la figure 7 , l'air de refroidissement est acheminé à travers des filtres 6 au niveau de la tête d'extrusion 4. Le flux d'air est orienté via les ailettes 3. Après passage sur les fibres F, l'air réchauffé est évacué. En référence à la figure 8 , l'air représenté par les flèches passe entre les ailettes 3 qui sont montées orientables sur une armature 5. Chaque ailette 3 est montée pivotante au moyen d'un pivot 3a sur l'armature 5.
  • En référence à la figure 9, l'air de refroidissement représenté par les flèches est orienté par les ailettes 3 et vient refroidir l'oignon de polymère O qui se forme au niveau de la tête d'extrusion 4. L'air réchauffé est ensuite évacué.
  • Selon un mode de mise en oeuvre particulier , l'air de refroidissement est à une température comprise entre 16°C et 26°C et présente un taux d'humidité compris entre 30% et 80%.
    • Procédé de fabrication d'un non tissé
  • Selon le procédé de l'invention, la nappe de fibres est portée à une température inférieure à la température de ramollissement du matériau polymère qui constitue lesdites fibres et comprimée fortement dans certaines zones en sorte de provoquer dans les fibres situées dans lesdites zones le phénomène de fluage (amorce et propagation d'un glissement moléculaire) exposé précédemment. Lors de la phase plastique de la déformation des fibres , sous l'effet de la compression, il se produit un échauffement interne aux fibres , qui élève la température de celles-ci jusqu'à la température de fusion. Cette fusion combinée à la compression provoque la création de points de soudure de structure polymère multicouches ou stratifié, homogène et transparent. La température de chauffage des fibres est de l'ordre de 140°C - 145°C pendant 10 x 10-3 secondes ce qui correspond au temps de contact des fibres avec les rouleaux de compression de l'installation de thermoliage. La pression mise en oeuvre est calculée en sorte d'obtenir une cohésion maximale du non-tissé obtenu.

Claims (10)

  1. Fibres thermoplastiques thermosoudables à base de polypropylène, utilisables pour la fabrication de non-tissés par thermoliage, caractérisées en ce qu'elles sont homogènes en section transversale, ne comportant pas de peau dégradée en surface, en ce qu'elles sont thermosoudables sous une pression donnée et à une température donnée qui est inférieure à leur température de fusion, grâce à un échauffement interne sous l'effet de ladite pression et en ce qu'elles comportent une quantité d'anti-oxydant primaire comprise entre 350 et 1 000 ppm.
  2. Fibres selon la revendication 1 caractérisées en ce qu'elles sont composées d'un premier constituant à cristallinité élevé et d'au moins un second constituant, compatible avec le premier constituant et dont la cristallinité est moindre que celle du premier constituant.
  3. Fibres selon la revendication 2 caractérisées en ce que le premier constituant est un homopolymère cristallin de polypropylène et le second constituant est un copolymère de propylène et d'au moins un autre co-monomère choisi parmi l'éthylène, le butène et les α-oléfines dont la chaîne carbonée comporte au moins cinq atomes de carbone.
  4. Fibres selon l'une des revendications 2 à 3 caractérisées en ce que les proportions relatives, en poids, des premier et second constituants sont de 20 à 99 % pour le premier constituant et de 80 à 1% pour le second constituant.
  5. Procédé de fabrication par filage des fibres à base de polypropylène selon la revendication 1 caractérisé par des conditions évitant la dégradation moléculaire thermo-oxydative en périphérie des fibres lors du filage, lesdites conditions comportant d'une part la présence d'une quantité d'anti-oxydant primaire comprise entre 350 et 1 000 ppm et d'autre part un refroidissement rapide immédiatement en sortie de filière.
  6. Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que le refroidissement rapide est obtenu par soufflage d'un flux d'air à une température comprise entre 16°C et 26°C, dirigé directement sur le faisceau (ou oignon) de polymère se formant en sortie de filière.
  7. Procédé selon l'une des revendications 5 et 6 caractérisé en ce que le flux d'air à un taux d'humidité compris entre 30 à 80 %.
  8. Procédé de fabrication d'un non-tissé à partir d'une nappe de fibres à base de polypropylène selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il consiste à thermolier ladite nappe selon des zones de soudure en comprimant lesdites fibres dans lesdites zones à une température inférieure à leur température de fusion et à une pression donnée, suffisante pour obtenir, à l'occasion de leur déformation plastique, un échauffement interne provoquant la fusion des fibres dans les zones de soudure.
  9. Non-tissé obtenu par thermoliage de fibres à base de polypropylène selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que, dans les zones de soudure, les points de soudure se présentent comme un polymère multicouches ou stratifié, homogène et transparent.
  10. Non-tissé selon la revendication 9, caractérisé en ce que, lorsqu'il est soumis à un test de rupture, la rupture intervient d'abord à l'intérieur et secondairement à l'extérieur des points de soudure.
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