La fonction barrière de la nanomontmorillonite organique dans les emballages plastiques monomatériaux
I. Les barrières mono-matériau sont plus respectueuses de l’environnement et recyclables
L'Organisation européenne pour l'économie circulaire des emballages souples (CEFLEX) déclare explicitement dans ses lignes directrices pour la conception de l'économie circulaire que les matériaux d'emballage en plastique doivent être produits autant que possible à partir de matériaux uniques afin d'améliorer l'efficacité et la recyclabilité du recyclage. Nestlé et Coca-Cola ont tous deux clairement indiqué leur engagement en faveur d'emballages 100 % recyclables ou réutilisables. Cela implique une transition de structures multi-matériaux vers des structures mono-matériaux, ce qui non seulement respecte les futures réglementations environnementales mais améliore également l'efficacité du recyclage.
Par rapport aux emballages composites multicouches, les structures mono-matériau présentent souvent des propriétés barrières plus faibles. Par conséquent, garantir que les emballages conservent de bonnes performances tout en répondant aux exigences environnementales est devenu une question cruciale. Pour relever ce défi, les emballages en plastique emploient souvent plusieurs méthodes de barrière différentes pour améliorer les performances de barrière.
II. Méthodes barrières actuelles dans les emballages plastiques
1. Méthodes de revêtement (par exemple, revêtement d'aluminium, revêtement de SiO₂, etc.)
En déposant une couche de métal ou de matériau inorganique sur la surface en plastique, une couche barrière est formée. Les couches recouvertes d'aluminium possèdent d'excellentes propriétés de barrière contre les gaz et l'humidité et sont couramment utilisées dans les emballages alimentaires pour prolonger la durée de conservation. Les revêtements inorganiques tels que SiO₂ offrent des propriétés supplémentaires de barrière contre l'oxygène et l'humidité. Cette méthode de revêtement ne peut être appliquée qu'aux couches intermédiaires, les couches internes nécessitant des couches thermoscellables et les couches externes nécessitant des couches d'impression composites. Chaque couche utilise des matériaux différents, ce qui rend le recyclage et la réutilisation difficiles.
2. Méthode de co-extrusion composite (par exemple, PVDC, EVOH, PA, PVA, etc.)
Cette méthode consiste à co-extruder différents matériaux à l’état fondu pour former une structure multicouche. L'EVOH (copolymère éthylène-acétate de vinyle) est un matériau barrière à haute teneur en oxygène couramment utilisé et largement appliqué dans les emballages alimentaires. Le PA (nylon) possède de bonnes propriétés de barrière à l'huile et est souvent utilisé dans les emballages d'aliments riches en graisses. Le PVDC et le PVA offrent également d’excellentes propriétés de barrière contre les gaz et l’humidité. Un tel emballage barrière se compose généralement de 3 à 9 couches de matériaux différents co-extrudés pour remplir les fonctions de barrière et d'emballage. Cependant, en raison de la diversité des matériaux, le recyclage et la réutilisation constituent un défi.
3. Méthode de mélange (ajout de matières inorganiques)
Cette méthode offre une excellente alternative. En incorporant des matériaux inorganiques tels que la montmorillonite, des silicates et des nanomatériaux dans la matrice plastique, la rigidité et la résistance à la chaleur du matériau sont améliorées, tout en améliorant ses propriétés barrières. Ces matériaux inorganiques à l'échelle nanométrique se mélangent bien à la matrice plastique et sont facilement recyclables.
III. Fonction barrière de la nano montmorillonite organique dans l'emballage
La montmorillonite (MMT) est un minéral silicoaluminate hydraté naturel en couches, chaque plaque ayant une épaisseur d'environ 1 nm et une plage de tailles de 1 à 1 000 nm. Sa formule développée est (Al,Mg)₂ SiO₁₀ ₂·nH₂O. En raison de l'instabilité de l'aluminium dans l'octaèdre de l'oxyde d'aluminium, il est facilement remplacé par des atomes de valence inférieure, ce qui entraîne une certaine charge négative entre les couches adjacentes. Pour maintenir la stabilité de la structure intercalaire, la charge négative attire les cations environnants tels que Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ et K+, conférant ainsi une capacité d'échange cationique et une forte capacité d'adsorption à la montmorillonite.
Après mélange avec des polymères, sa structure cristalline se décolle facilement, ce qui donne une structure en couches dense avec un rapport d'aspect élevé. Cela augmente la longueur du trajet de pénétration du gaz à travers les polymères de poids moléculaire élevé et prolonge le temps de pénétration du gaz. Une structure en couches de 1 nm d'épaisseur force le gaz et l'humidité à « faire 300 détours », simultanément, ses nano-effets limitent le mouvement des chaînes de polymère, améliorent les interactions intermoléculaires, renforcent la force de cohésion du polymère, augmentent la densité de compactage des chaînes moléculaires et améliorent considérablement les propriétés barrières du matériau.
IV. Méthodes de traitement et d’application de la nano-montmorillonite organique
La montmorillonite doit subir deux processus pour obtenir une dispersion à l'échelle nanométrique dans les polymères. Seules des couches de nanosilicates parfaitement dispersées et uniformément réparties peuvent atteindre des performances optimales.
1. La montmorillonite purifiée subit des réactions d'intercalation pour former une nano-montmorillonite organique
La montmorilonite inorganique a des espacements intercouches d'environ 1 à 1,5 nm et ses couches sont empilées par dizaines en raison des forces électrostatiques, ce qui rend impossible la dispersion de chaque nanocouche individuellement. Ce n'est que par des réactions d'intercalation (nécessitant généralement 30 à 40 % d'agent d'intercalation) que l'espacement intercouche de la montmorillonite peut être augmenté à 2 à 4 nm, la transformant en nano-montmorillonite organique. Cela réduit l'énergie libre de surface du matériau et change son caractère hydrophile en lipophile, permettant une meilleure dispersion au sein des polymères.
2. La montmorillonite intercalée doit subir un traitement de cisaillement à l'aide d'une extrudeuse à double vis pour obtenir une nano-dispersion complète.
Pour obtenir une dispersion et une exfoliation optimales de la montmorillonite organique, il est recommandé d’utiliser une extrudeuse à double vis co-rotative ou un malaxeur BUSS lors du mélange de composites thermoplastiques. Lors du mélange par extrusion, il est conseillé de sélectionner des combinaisons de vis avec le rapport longueur/diamètre le plus grand possible (>40L/D) et des modules de filetage capables d'obtenir une dispersion élevée. Pour éviter le compactage, il est préférable de l'ajouter au polymère fondu via un dispositif d'alimentation latérale.
Lors de la dispersion dans une extrudeuse bi-vis, il convient de veiller à ne pas « trop cisailler » la montmorillonite organique pour éviter son agglomération. Il est préférable d'utiliser des éléments à vis de mélange à dispersion. La surchauffe peut entraîner une diminution des performances du produit et la formation d'odeurs. Un chauffage excessif peut provoquer de la fumée au niveau de la filière, et des taux de cisaillement extrêmement élevés dans l'extrudeuse peuvent également entraîner une réagglomération et une dégradation des performances.
Il est recommandé de traiter d'abord la montmorillonite en mélange maître avant de l'utiliser pour des applications de film coulé ou de film soufflé : 30 à 50 % de pré-mélange de mélange maître de montmorillonite (d'abord traité par lots puis dispersé dans une extrudeuse à double vis, ou produit via une dispersion à alimentation latérale, avec l'ajout approprié de compatibilisants de greffage et d'aides à la dispersion).
V. Applications de la nano-montmorillonite organique dans l'industrie de l'emballage
1. Emballage électronique
2. Gonflable de l’industrie
Industrie de l'emballage En tant que nouveau type de matériau fonctionnel, la nano-montmorillonite organique a démontré un fort potentiel barrière dans l'industrie de l'emballage plastique. Grâce aux progrès technologiques continus, la montmorillonite est sur le point de devenir un composant important des matériaux d'emballage haute performance, répondant ainsi à la demande croissante du marché.
Il convient de noter que YINSU Flame Retardant est spécialisé dans le développement et la production de retardateurs de flamme respectueux de l'environnement. Son produit K100 est un ignifugeant nanomontmorillonite organique doté d'excellentes performances. Le K100 améliore non seulement le caractère ignifuge des matériaux d'emballage en plastique, mais maintient également les propriétés mécaniques et l'aptitude au traitement des matériaux. Il s’agit d’un choix idéal pour obtenir à la fois une fonctionnalité ignifuge et une fonctionnalité barrière dans les emballages plastiques mono-matériau. Avec le développement continu de concepts d'emballage écologiques, le produit K100 de YINSU Flame Retardant devrait jouer un rôle plus important dans le domaine de l'emballage.
