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Theses Year : 2015

Investigation of an innovative hot melt adhesive-based laminating process for flexible packaging

Étude d'un procédé innovant de contre-collage d'emballages flexibles par des colles thermofusibles

(1)
1
Achraf Kallel
  • Function : Author
  • PersonId : 772965
  • IdRef : 188924264

Abstract

“Revoluflex” is an innovative laminating process consisting in bonding two plastic films with a thin layer of hot melt adhesive. The molten adhesive is extruded through a flat die (gap ~ 1 mm). Then, it is stretched into the air at very high draw ratio (Dr> 100) over a very short distance (~ 1 mm) and set down on the primary plastic film. A vacuum pump, located beneath the extruded film, stabilizes the process and prevents air bubble intake between the primary and the adhesive film. A secondary plastic film is then laid on the coated primary film to give a laminate. Many defects can be observed as a function of the process parameters such as wavelike instabilities characterized by periodical sustained oscillations in the hot melt adhesive layer. This instability is similar to the “Draw Resonance” instability encountered with classical processes involving the stretching of a molten polymer. Other defects looking like small bubbles, cracks or rips in the adhesive layer are also observed. These defects hinder commercial deployment of the process. The aim of this study is there to understand their origins in order to remove them or at least delay their onset.These defects have first been characterized and their appearance was quantified according to process parameters and adhesive rheology. Several theoretical models of increasing complexity, in terms of flow kinematics and polymer rheology, have been developed. Newtonian and Viscoelastic constant width membrane models involving a pressure differential between the two sides of the extruded film represent a first theoretical approach that accounts for the vacuum pump effect. The linear stability method was used to investigate the influence of adhesive rheological behavior and process parameters on the onset of periodic instabilities. It was shown that the results were highly dependent on the initial flow conditions at die exit. Since the membrane assumption is not valid for very short stretching distances, we developed two Newtonian 2D models accounting for both extrusion and drawing steps. The first one is a symmetric model that does not account for the vacuum pump effect. It was solved using two different approaches: a front-tracking method coupled with linear stability analysis and a direct numerical simulation with interface capturing method (Level set method). It was shown that both methods lead to the same stationary solution and the same stability results. The second model accounts for the pressure differential and it was solved using only the front-tracking method. This latter 2D model enables to check the validity of the initial flow conditions of the membrane model.These models allow us to explain several experimental phenomena such as the stabilizing effect of the pressure differential and the short stretching distance. In addition, they help explaining experimental features which contradict the classical literature on drawing instabilities such as the stabilizing effect of increasing the draw ratio under certain operating conditions. Finally, they show that the pressure differential induces a high stress at the bottom lip of the extrusion die, which may clarify the cracks and rips observed in the adhesive layer.
« Revoluflex » est un procédé de contre-collage de films plastiques par l'intermédiaire d'une fine couche d'adhésif thermofusible. Dans ce procédé, l'adhésif fondu est extrudé à travers une filière plate (entrefer ~ 1 mm) puis étiré dans l'air sur une très courte distance (~ 1 mm) à des taux d'étirage très importants (Dr>100) et enfin déposé sur le film plastique primaire. Une pompe à vide, placée au-dessous du film extrudé, permet de stabiliser le procédé et d'empêcher l'admission de bulles d'air entre le film primaire et l'adhésif. Un film plastique secondaire est ensuite déposé sur le film primaire pour former le film complexe. En fonction des paramètres du procédé, plusieurs défauts sont observés. Par exemple, on observe dans certaines conditions des surépaisseurs périodiques dans la couche d'adhésif qui s'apparentent à une instabilité d'étirage appelée Draw Resonance. D'autres défauts qui correspondent plutôt à des déchirures dans le film adhésif sont également observés. Ces défauts représentent un obstacle pour le développement de ce procédé innovant et donc l'enjeu de cette étude consiste à comprendre l'origine de ces défauts afin de pouvoir les supprimer ou, au moins, en différer l'apparition.Pour ce faire, ces défauts ont tout d'abord été caractérisés et leur apparition a été quantifiée en fonction des paramètres du procédé et de la rhéologie de différentes formulations d'adhésif.Des modèles de complexité croissante, tant au niveau de la description cinématique de l'écoulement que de la loi de comportement du polymère, ont été développés. Des modèles membrane Newtonien et viscoélastique à largeur constante où un différentiel de pression est appliqué entre les deux faces du film extrudé constituent une première approche théorique qui rend compte de l'effet de la pompe à vide. La méthode de stabilité linéaire a été utilisée pour prédire le phénomène d'instabilité périodique en fonction du comportement rhéologique et des paramètres du procédé. Notre étude a montré que les résultats de ces modèles membrane sont très influencés par les conditions initiales de l'écoulement. Comme l'hypothèse membrane n'est plus valide à de très courtes distances d'étirage, nous avons développé deux modèles 2D Newtonien qui rendent compte à la fois de l'écoulement dans la filière et au cours de l'étirage. Le premier modèle symétrique ne prend pas en compte l'effet de la pompe à vide mais et a été résolu avec deux approches différentes : une méthode de suivi d'interface couplée à la méthode de stabilité linéaire et une méthode de simulation directe par capture d'interface (méthode Level-Set). Nous avons montré que ces deux méthodes permettent d'obtenir la même solution stationnaire et les mêmes résultats de stabilité. Le deuxième modèle prend en compte le différentiel de pression et a été résolu uniquement par la technique de suivi d'interface couplée à la méthode de stabilité linéaire. Ce modèle 2D permet également de trancher entre les différentes conditions initiales testées avec le modèle membrane.Ces modèles permettent d'expliquer plusieurs phénomènes observés expérimentalement comme l'effet stabilisant du différentiel de pression et de la courte distance d'étirage. De plus, ils mettent en évidence un résultat paradoxal qui est l'effet stabilisant du taux d'étirage dans certaines conditions opératoires. Ils montrent enfin que le différentiel de pression provoque une contrainte très élevée au niveau de la lèvre inférieure de la filière, ce qui peut être une explication des déchirures observés dans la couche de colle.
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tel-01216749 , version 1 (16-10-2015)

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  • HAL Id : tel-01216749 , version 1

Cite

Achraf Kallel. Étude d'un procédé innovant de contre-collage d'emballages flexibles par des colles thermofusibles. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2015. Français. ⟨NNT : 2015ENMP0016⟩. ⟨tel-01216749⟩
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