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MATÉRIAUX COMPOSITES ABSORBANTS DE LIQUIDE AQUEUX
La présente invention se rapporte à l'industrie des composites
multicouches aptes à absorber un liquide aqueux et à gonfler, et en
particulier
aux composites bi-couches et aux articles les contenant tels que les câbles
pour
le transport d'énergie et les articles d'hygiène.
Les composites auxquels se rapporte l'invention peuvent être utilisés
dans différentes industries. En particulier dans l'industrie des câbles
électriques,
pour la téléphonie et les fibres optiques et dans l'industrie des articles
d'hygiène
pour bébés, pour l'incontinence adulte et l'hygiène féminine.
Les câbles comportent au moins trois parties distinctes qui sont, en allant
du coeur vers l'extérieur
- un noyau conducteur
- un composite absorbant apte à gonfler
- une couche externe isolante.
Les composites absorbants sont connus et largement utilisés dans
l'industrie des câbles. Pour cette application ils sont introduits dans le
câble pour
assurer son étanchéité lors de l'entrée accidentelle d'eau. En effet, lorsque
l'eau
pénétre dans le câble suite à la détérioration de la couche externe, le
composite
absorbe ce liquide et en gonflant empêche ia propagation de l'eau.
Les composites utilisés dans les câbles sont généralement à base de
produit absorbant en poudre, pris entre deux couches de matériau non tissé. Un
tel composite, dit composite absorbant tri-couches, est connu et largement
décrit.
Par exemple, EP 0188959 décrit des câbles électriques contenant des
matériaux composites à base de poudre hydroexpansible telle que les polymères
acryliques modifiés, les amidons greffés, les polyacryiamides, la
carboxyméthyl
cellulose, enfermée entre deux couches de matériau non tissé. Ladite poudre
est
fixée au non tissé par un liant hydrosoluble.
Les composites absorbants tri-couches décrits ci-haut posent le problème
de l'efficacité de la poudre absorbante. En effet, celle-ci reste enfermée
entre
deux couches de non tissé et ne peut pas gonfler librement. De plus il reste
des
espaces vides dans le câble, dans lesquels l'eau peut se répandre. De ce fait,
la
quantité d'eau que la poudre peut absorber reste limitée. Ce problème est
partiellement résolu par EP 0378940 qui décrit des matériaux composites pour
câbles comprenant une poudre hydroexpansible et une poudre thermocollante
prises en sandwich entre un support plat et un support partiellement
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hydrosoluble. Au contact de l'eau le support hydrosoluble se solubilise
partiellement en donnant une certaine liberté à la poudre qui va s'expanser
rapidement en formant un bourrelet et empêcher ainsi la propagation de l'eau.
Mais, malgré la présence du support hydrosoluble, la liberté de la poudre
reste
partielle et son efficacité limitée.
La demanderesse a maintenant trouvé que ce problème peut être résolu
par l'utilisation dans les câbles d'un composite absorbant bi-couches. En
effet, la
demanderesse a trouvé que ia liberté d'expansion de la poudre et son
efficacité
peuvent être accrues par la suppression de la couche externe du composite
absorbant, c'est-à-dire en remplaçant le composite tri-couches . non tissé /
poudre absorbante I non tissé par un composite bi-couches : non tissé I poudre
absorbante.
La demanderesse a aussi découvert qu'on peut encore améliorer la liberté
d'expansion de la poudre absorbante en contrôlant sa distribution et la
quantité
fixée sur le non tissé. En effet, la demanderesse a trouvé que lorsque la
poudre
absorbante est distribuée ponctuellement sur le non tissé et de préférence
sous
forme de monocouche, sa liberté d'expansion et son efficacité sont accrues.
Car
dans ces conditions les particules de la poudre absorbante ne sont plus
emprisonnées et forment entre elles des canaux facilitant ainsi la circulation
du
liquide et son absorption par la poudre.
Le premier objet de l'invention est un composite absorbant apte à gonfler
caractérisé en ce que ledit composite est constitué de deux couches : un
support
souple à base de matériau non tissé et au moins une poudre aborbante fixée
audit support par l'intermédiaire d'une colle thermofusible.
De manière générale la masse de la colle est de 2 à 100 g par m2 de non
tissé et la masse de la poudre absorbante est de 5 à 300 g par m2.
Les matériaux non tissés utilisés dans l'industrie du câble sont
généralement les polyesters non tissés liés thermiquement ou chimiquement et
les polyoléfines telles que le polypropylène. Ces matériaux peuvent
éventuellement être chargés de manière à devenir semi-conducteurs.
Les non tissés préférés pour réaliser l'invention sont les polyesters,
caractérisés par une surface lisse et un poids de 10 à 100 g/m2, ou encore les
polyesters chargés ayant un poids de 50 à 300 films.
D'une manière générale par colle thermofusible on entend un mélange
constitué d'un polymère, d'une résine, d'une huile ou cire et de divers
additifs.
Les colles selon l'invention sont celles décrites par WO 97/12007.
A titre indicatif, les colles utilisées pour la mise en oeuvre de l'invention
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sont notamment les colles thermofusibles auto adhésives ou non ayant un point
de fusion proche de 150°C et un indice de fluidité compris entre 0,5 et
1000.
Elles sont généralement constituées de polymères. Parmi ceux-ci les polymères
à
base d'éthylène et d'acrylate d'alkyie occupent une position privilégiée. En
générai l'acrylate d'alkyle est choisi parmi l'acrylate de méthyle, l'acrylate
de
butyle et le 2, éthylhexyiacrylate.
On peut aussi, comme colle thermofusible, utiliser les copolymères
éthylène - acétate de vinyle ou les copolymères styrène - butadiène - styrène,
ou
encore les colles réactives telles que les polyuréthanes.
De manière avantageuse on utilise le copolymère éthylène / acétate de
vinyle caractérisé par un taux d'acétate de 10 à 45 % en poids.
La colle est déposée sur le non tissé à l'aide d'un rouleau gravé comme
décrit plus loin. Elle recouvre partiellement ou totalement la surface du non
tissé.
Lorsqu'on souhaite donner le maximum de liberté d'expansion à la poudre
absorbante, la surface recouverte par la colle est de 10 % à 80 % de la
surface
totale du non tissé et représente de 2 à 100 g par m~ de non tissé.
La poudre absorbante selon l'invention est une poudre naturelle ou
industrielle. Elle est homogène et de fine granulométrie.
Elle est généralement choisie dans le groupe constitué de polymères
acryliques modifiés, d'amidons greffés, de polyacrylamides, des dérivés de la
cellulose tels que la carboxyméthyl cellulose.
La poudre absorbante préférée selon l'invention est une poudre à base de
polyacide acrylique partiellement neutralisé et réticulé désigné ci-après par
SAP.
Elle est caractérisée par une taille de particules inférieure à 800 ,um et un
taux
d'absorption, d'une solution aqueuse contenant 0,9 % de NaCI, pouvant
atteindre 100 g par g de SAP. Cette poudre peut être obtenue selon différents
procédés tels que ceux décrits par FR 2 710 342 et FR 2 732 973.
La poudre absorbante doit couvrir au moins la totalité de la surface de la
colle.
La quantité de poudre fixée sur le non tissé est de 5 à 300 g par m2 de
non tissé.
Les composites de l'invention tels que décrits précédemment peuvent
être utilisés dans toutes les applications mettant en oeuvre une poudre
absorbante. On peut citer à titre indicatif les câbles pour le transport
d'énergie,
les couches culottes pour bébés, les serviettes hygiéniques pour
l'incontinence
adulte et pour l'hygiène féminine.
De manière générale, dans ces applications, ia poudre absorbante est
emprisonnée entre deux couches de matériau non tissé.
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La demanderesse a découvert que le remplacement d'un tel système par
les composites bi-couches de l'invention procure, comme décrit précédemment,
un certain nombre d'avantages, tels que l'efficacité de la poudre et la
réduction
du coût.
Une des manières de réaliser le composite absorbant bi-couches est la
suivante
La couche de non tissé est placée entre deux rouleaux, l'un d'eux a une
surface lisse, l'autre a une surface gravée. Le déplacement du non tissé est
assuré par la rotation des rouleaux. La colle thermofusible est fondue dans
une
cuve placée en contact direct avec le rouleau gravé. De ce fait la colle
fondue
vient toucher la surface du rouleau. Celui-ci en tournant- entraîne la colle
fondue
et la dépose sur le non tissé. La poudre absorbante est ensuite saupoudrée sur
le
non tissé enduit de colle. Les motifs gravés sur le rouleau contr8lent la
quantité
de colle déposée sur le non tissé ainsi que la surface recouverte et de ce
fait la
quantité de poudre absorbante fixée.
Pour améliorer l'efficacité du procédé décrit précédemment, les
perfectionnements A et B suivants peuvent être apportés conjointement ou non.
- Perfectionnement A
Afin d'augmenter le temps d'ouverture des colles (et donc de permettre
une meilleure adhésion de la poudre absorbante (SAP) au non-tissé), une
cellule
infra-rouge (IR) peut être installée sur le banc d'essai avant la dépose de
SAP. Le
paramètre clé est la température dégagée par la cellule IR au niveau du
composite. La température optimale se situe 30 ° C environ au-dessus du
point de
ramollissement de la colle.
- Perfectionnement B
Une étape de calandrage a été ajoutée au banc d'essai, ce qui a pour
effet de diminuer nettement le poudrage des composites hot-malt.
Le calandrage consiste à faire passer le composite entre deux rouleaux en
inox chauffants tout en exerçant dessus une pression : la chaleur des rouleaux
permet de réactiver la colle et la pression exercée simultanément permet de
faire
pénétrer les particules de SAP dans les points de colles. Le SAP est ainsi
mieux
attaché au non-tissé et le poudrage naturel du composite est éliminé.
Les différents paramètres clés de ce perfectionnement sont
- la température des rouleaux
Dans ce cas, il faut ramollir la colle mais pas trop pour ne pas la faire
diffuser à travers le non-tissé sous l'effet de la pression exercée par les
rouleaux.
Une température optimale de l'ordre de 50°C a étë retenue dans le
cadre des
essais réalisés.
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- la pression exercée par les rouleaux sur le composite
Deux pressions ont été étudiées : 1.403 et 2.105 T
Le composite ainsi préparé est caractérisé de la manière suivante
~ Quantité de colle
La quantité de colle est déterminée par pesée lors de la fabrication du
composite. - -
~ Quantité de poudre absorbante (SAP)
Une détermination de la quantité de SAP est effectuée par pesée lors de
ia fabrication du composite.
Elle peut également étre déterminée sur le produit final par un dosage de
sodium : les SAP (copolymère d'acide acrylique et d'acrylate de sodium
réticulé)
contiennent une quantité de sodium fixe imposée par le taux de neutralisation.
Ainsi la détermination par une électrode spécifique de la quantité de
sodium dans ie composite après extraction et la connaissance de la teneur en
sodium de la poudre permettent de déterminer la quantité de SAP présente dans
(e composite.
~ Performances
On s'intéresse principalement à la détermination de ia hauteur de
gonflement du SAP déterminée de la manière suivante : 0,1 g de SAP est
introduit dans un réceptacle sur lequel est placé un couvercle. Ce couvercle
est
percé de trous afin de laisser passer le liquide. On verse ensuite 100 ml
d'eau
distillée ce qui entraîne le gonflement du SAP.
Le déplacement du couvercle (dû au gonflement du SAP) donne une
hauteur de gonflement en mm. On s'intéresse à la hauteur de gonflement à 1 et
3 minutes.
Exemples 1 à 6
Les composites des exemples 1 à 6 sont préparés et caractérisés comme
décrit précédemment.
~ Les produits utilisés pour la réalisation de ces exemples sont
- non tissé : soit un polyester lié thermiquement ayant un poids de
40 g par m2 désigné ci-après par PE I, soit un polyester
chargé noir du carbone ayant un poids de 65 g/mz désigné
ci-après par PE II
- colle de type autoadhésif thermofusible à 100 % de matière active.
Elle se présente sous forme de blocs autoprotégés. Son point de ramollissement
se situe entre 71 et 81 °C. Sa forme liquide permet un dépôt constant
sur le
rouleau gravé et un transfert homogène sur ie non tissé. Elle est constituée
essentiellement d'un copolymère type éthylène-acétate de vinyle.
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- Poudre superabsorbante
Les SAP utilisés sont
- des billes unitaires non agglomérées ayant une granulométrie
optimisée centrée sur 280,um (ci-après désignés par TAC 45)
- des billes en "choux fleur" caractérisées par un taux d'absorption de
70 g/g tci-après désignées par S 351
des billes agglomérées de diamètre de 450 ,um et un taux
d'absorption de 65 g/g (désignées par D 60).
~ Pour réaliser ces exemples deux rouleaux gravés ont été utilisés. L'un
référencé A permet une couverture de 25 % et un dépôt de colle de 8 g par m2,
l'autre référencé B permet une couverture de 19 % et un dépôt de colle de
4,5 g par mZ.
Le tableau suivant résume les caractéristiques et les performances des
composites préparés.
Exem le n 1 2 3 4 5 6
Non tiss PE I PE I PE I PE I PE II PE II
Rouleau ray A B A A A A
SAP utilis D 60 D 60 S 35 TAC 45 D 60 S 35
SAP fix en 182 214 60 63 183 51
/mz
Gonflement
1 min en mm 18,3 17,5 18,1 16 18,2 18,2
Gonflement
3 min en mm 18,9 18,6 18,1 18,3 19,2 18,2
Exemple 7
Quantification du poudrage de ces composites
L'amélioration apportée par ie calandrage sur le poudrage des composites
a été quantifiée à l'aide du test suivant
Mode opératoire : la surface du composite ( 10 cm x 7 cm) est balayée
avec un jet d'air de 3 bars à une distance de 5 cm. La perte de masse du
composite (représentant le SAP qui s'est détaché) est déterminée par pesée.
Les résultats obtenus avec le composite de l'exemple 1 sont regroupés
dans ie tableau ci-dessous.
de erte ar ,rapport la masse initiale du com
, osite
Dure de bala a Com osite non calandrComposite calandr (2,105
e (s) T)
30 0.05 0.02
60 0.07 0.03
120 0.11 0.03
Le calandrage améliore donc nettement la tenue du SAP sur le non-tissé et on
observe un poudrage pratiquement négligeable dans le cas où le composite est
soumis à un jet d"air de 3 bars.
