Reinforcement of the Gas Barrier Properties of Polyethylene and Polyamide Through the Nanocomposite Approach: Key Factors and Limitations
Renforcement des propriétés barrière aux gaz de matrices polyéthylène et polyamide par l’approche nanocomposite : facteurs clés et limitations
1
Université de Lyon, 69003
Lyon – France
2
CNRS, UMR5223, Ingénierie des Matériaux Polymères, Université Lyon 1, 69622
Villeurbanne – France
3
CNRS, UMR5223, Ingénierie des Matériaux Polymères, INSA Lyon 1, 69621
Villeurbanne – France
e-mail: eliane.espuche@univ-lyon1.fr
* Corresponding author
In this study, polyamide 6 (PA6) and polyethylene (PE) nanocomposites were prepared from melt blending and a detailed characterization of the nanocomposite morphology and gas barrier properties was performed. The choice of the organoclay was adapted to each polymer matrix. Exfoliated morphology and improved gas transport properties were obtained by melt mixing the polar PA6 matrix and the organoclay, whereas a microcomposite with poor barrier properties was formed from the binary PE/organomodified clay mixture. Different modified polyethylenes were examined as compatibilizers for the polyethylene/organoclay system. The effect of compatibilizer molar mass, polarity and content was investigated on the clay dispersion and on the gas barrier properties. The optimal compatibilizer to clay weight ratio was found to be equal to 4 whatever the compatibilizer. However, a high degree of clay delamination was obtained with the high molar mass compatibilizer whereas highly swollen clay aggregates resulted from the incorporation of the low molar mass interfacial agents. Contrary to the PA based system, the barrier properties of PE nanocomposites were not directly related to the clay dispersion state but resulted also from the matrix/clay interfacial interactions. Oxidized wax was identified as a very promising interfacial agent and a step by step study was performed to optimize the gas transport properties of the systems based on PE, oxidized wax and organoclay. In particular, an interesting combination of oxidized wax and high molar mass maleic anhydride grafted polyethylene allowing dividing the gas permeability by a factor 2 in comparison with neat PE was proposed.
Résumé
Dans cette étude, des nanocomposites sont préparés par voie fondue pour deux matrices, une matrice polyamide 6 (PA6) et une matrice polyéthylène, leur morphologie ainsi que leurs propriétés barrières sont étudiées. Les argiles organophiles sont choisies en fonction de la nature chimique de chacune des matrices polymères. Les nanocomposites préparés à partir de polyamide 6 présentent une structure exfoliée et des propriétés barrières améliorées alors qu’une morphologie de type microcomposite ne conduisant à aucune amélioration des propriétés barrières est obtenue pour le système PE/montmorillonite. Différents polyéthylènes modifiés sont alors évalués en tant qu’agents compatibilisants pour les systèmes PE. Les effets de la masse molaire, de la polarité et de la fraction massique d’agent compatibilisant sur la dispersion des charges et sur les propriétés barrières sont étudiés. Un taux massique d’agent compatibilisant égal à 4 fois celui des charges s’avère être optimal pour l’ensemble des agents compatibilisants. Par ailleurs, la masse molaire des agents compatibilisants joue un rôle primordial sur l’état de dispersion des charges. Contrairement aux systèmes PA, les propriétés barrières des systèmes PE ne sont pas directement reliées à l’état de dispersion des charges mais dépendent également des interfaces charges/matrice. Les PE oxydés de faible masse molaire sont identifiés comme des agents compatibilisants particulièrement intéressants pour les propriétés barrières et une optimisation pas à pas des systèmes est entreprise. Une combinaison de PE oxydé de faible masse molaire et de PE greffé anhydride maléique de haute masse molaire conduisant à diviser la perméabilité aux gaz du nanocomposite d’un facteur 2 par rapport à la matrice PE s’avère particulièrement intéressante.
© E. Picard et al., published by IFP Energies nouvelles, 2013