Mousse PP pour améliorer la durabilité et les coûts

Les mousses PP font des percées dans l'automobile et l'emballage pour stimuler l'allègement et la durabilité. (Photo :Avient)

La mousse de polypropylène a gagné du terrain au cours des dernières années, en commençant par la mousse PP extrudée et de plus en plus jointe par injection et mousse moulée par soufflage. Les principaux marchés sont l'automobile et l'emballage, suivis du bâtiment et de la construction, des produits de consommation et des biens industriels. Le rapport coût-performances est une incitation majeure, en particulier au cours des deux dernières années où les prix intérieurs du PP ont dépassé les prix mondiaux en raison de contraintes d'approvisionnement dans un contexte de forte demande. Cependant, un facteur plus important dans la demande accrue de mousse PP est de répondre aux initiatives et aux mandats de durabilité en utilisant simplement moins de résine et en offrant une alternative au PS et au PSE, qui sont parfois perçus comme moins « écologiques ».

L'allègement dans l'automobile gagne encore en popularité avec l'accent mis par l'industrie sur les véhicules électriques (VE) et devrait contribuer à la croissance du PP en mousse. Idem pour les emballages, portés par des initiatives de développement durable. Les perspectives de croissance de la mousse sont les récentes avancées technologiques dans le domaine du moussage physique et chimique, et parfois une combinaison des deux. Par exemple, Trexel, un leader dans le moulage de mousse physique avec son procédé d'injection directe de gaz MuCell, a apporté d'autres améliorations à sa technologie au cours des trois dernières années, ce qui permet le moulage de parois minces à des niveaux jusqu'alors impossibles.

De même, iD Additives, Avient et Trexel font partie des fournisseurs d'agents moussants chimiques (CFA) qui ont introduit des formulations produisant des mousses microcellulaires avec une très petite taille de cellule, une distribution uniforme et une excellente esthétique. En outre, les fournisseurs de résine PP tels que SABIC et Asahi Kasei Plastics ont introduit des grades avec une résistance à la fusion supérieure, en particulier pour les structures en mousse PP extrudées ou moulées, ainsi que des composés renforcés spécialisés spécialement adaptés au moussage. Des sources chez un autre fournisseur leader de résine PP, Borealis, ont noté que la société s'est engagée à soutenir le développement ultérieur du marché de la mousse extrudée à travers ses produits Daploy (High Melt Strength) HMS-PP et en proposant des solutions de mousse PP. La société a été pionnière dans la commercialisation du PP à haute résistance à la fusion, visant spécifiquement à développer le marché de la mousse PP.

Une étude de 2018 de la société d'études de marché Markets &Markets prévoyait que le marché mondial de la mousse PP extrudée augmenterait de près de 7 % par an jusqu'en 2023. Des sources de l'activité mondiale Foam &Lightweight de SABIC ont noté que leur PP ultra-résistant a été développé pour soutenir l'extrusion dans l'automobile, la construction et l'emballage, mais ils voient des opportunités dans les nouvelles applications de moulage par injection et par soufflage où la légèreté et la durabilité sont des impératifs.

« La nouvelle législation sur les emballages est également un moteur de croissance clé pour remplacer les solutions actuelles par de la mousse à base de PP », note une source. Craig Sibol, chef de produit pour l'activité additifs d'Avient, affirme que son entreprise voit une croissance de la mousse PP à deux chiffres, mais principalement dans le moulage par injection. « Les problèmes d'approvisionnement en PP ont davantage affecté les applications d'extrusion de mousse dans des secteurs tels que le bâtiment et la construction, la croissance y est donc limitée. »

Todd Glogovsky, directeur v.p. des ventes et de la technologie chez Asahi Kasei Plastics North America, le dit ainsi :« Le moussage et les parois minces sont continuellement évalués pour améliorer les coûts, le poids et l'efficacité du cycle de production. Les clients évalueront toujours toutes les options pour réduire le poids. Les options d'allègement sont constamment examinées les unes par rapport aux autres, et l'option ayant le plus grand impact sur les économies de coûts et les mises à niveau des performances sera sélectionnée. »

Remarque Nick Sotos, président d'iD Additives, « Cette année, lorsque les prix du PP ont commencé à monter en flèche, nous avons commencé à recevoir des demandes d'échantillons de nos agents moussants. Il y avait tellement d'activité que nous avons décidé de faire un chat Zoom appelé « Foam It or Fill It » pour expliquer aux gens les moyens d'atténuer les coûts croissants de la résine. Cela remonte à l'époque où j'ai lancé iD Additives et embauché Ron Bishop, qui m'a dit qu'il y avait deux façons de réduire les coûts :« Vous pouvez le faire mousser ou le remplir. »"

Le président de Trexel, Brian Bechard, commente que son entreprise n'a pas encore vu de preuves significatives d'une augmentation des prix du PP poussant les mouleurs à mousser, car avec MuCell, et dans une moindre mesure avec CFA, il faut beaucoup de temps et d'engagement pour réaliser un succès commercial en produisant une pièce en mousse. . « Les pièces moulées dans du solide doivent être requalifiées lorsqu'elles sont moussées. Cela nécessite souvent de peaufiner la conception des pièces pour obtenir les propriétés physiques répondant aux exigences », déclare Bechard. « Avec MuCell, il y a aussi l'approvisionnement ou la modification d'équipements. Ceux-ci ont tendance à ne pas être les solutions évidentes à la fluctuation à court terme des prix de la résine. Maintenant, si les prix de la résine augmentent et que le consensus général est qu'ils continueront d'augmenter, alors l'économie du moussage devient plus attrayante, et naturellement cela attirera plus de clients vers nous. »

Le support de tableau de bord primé de SPE Automotive a été fabriqué avec le verre long Stamax PP de SABIC et un processus de moussage avec technologie core-back pour réduire le poids de 15 %.

Tendances dans l'automobile

Des sources au sein de l'activité automobile mondiale de SABIC notent que les composés PP en mousse sont utilisés dans l'automobile depuis près de deux décennies pour réduire le poids des pièces, à la fois par la mousse elle-même et par la capacité de créer des pièces plus minces. Acteur actif dans cet espace, SABIC a remporté un SPE Automotive Innovation Award en 2017 pour le support de tableau de bord (IP) du Mini Countryman 2017, qui a utilisé le composé Stamax PP à verre long de SABIC et un processus de moussage avec technologie core-back pour réduire le poids d'environ 15 % par rapport à la partie sans mousse.

Mais jusqu'à assez récemment, les applications de mousse de PP se limitaient principalement à des applications structurelles non visibles en raison d'une mauvaise qualité de surface, selon l'équipe SABIC. La demande de pièces intérieures légères et esthétiques, ainsi que le vif intérêt pour la réduction des temps de cycle, de l'utilisation des matériaux et des coûts, ont suscité des efforts pour développer des matériaux en mousse PP de nouvelle génération avec une finition de surface de meilleure qualité. L'allègement des composants esthétiques de l'intérieur automobile fait partie de la mégatendance visant à réduire la consommation de carburant et les émissions.

Une source de SABIC Automotive a déclaré :« La forte augmentation de la production de véhicules électriques contribue à cette tendance, car le poids des véhicules électriques est lié à l'efficacité et à l'autonomie. Les composés de mousse de PP peuvent apporter une contribution importante et peuvent aider à réaliser des applications avec une densité inférieure qui sont de 8 à 10 % plus légères. De plus, le débit plus élevé de mousse PP peut permettre des pièces plus minces et une plus grande liberté de conception qui peuvent réduire encore plus le poids. SABIC estime que ces facteurs pris ensemble ont le potentiel de réduire le poids de la pièce de 20 % à 25 % par rapport à une pièce sans mousse.

Ces dernières années, SABIC s'est concentré sur la production d'un portefeuille de composés PP expansibles qui peuvent contribuer à des économies de poids tout en offrant une excellente esthétique de surface. Une amélioration clé est la minimisation des stries et des défauts de surface et une seconde est l'évitement potentiel des marques de chute, même dans les pièces à paroi mince. En règle générale, les pièces intérieures sont conçues avec des parois allant jusqu'à 3 mm d'épaisseur, non pas à des fins structurelles ou de rigidité, mais parce que des parois plus épaisses réduisent le risque d'évier. Le moussage crée une pression interne suffisante dans la pièce moulée pour compenser le retrait excessif et réduire les marques de chute. Selon l'équipe de SABIC Automotive, une conception et un traitement optimisés sont essentiels pour extraire toute la valeur des matériaux en mousse PP, y compris une réduction de poids maximale. Leur prochaine étape consiste à améliorer encore l'esthétique de la technologie pour une utilisation dans des applications extérieures.

Après une expérience significative dans l'industrie avec le moussage MuCell de PP chargé pour les pièces automobiles telles que les IP, les panneaux de porte et les boîtiers/couvercles sous le capot, Bechard de Trexel dit qu'il y a maintenant une activité accrue dans le moussage non chargé PP pour l'automobile et l'emballage. Les pièces automobiles visibles à l'intérieur sont un marché où TecoCell CFA de Trexel a été reconnu pour la production d'excellentes finitions de surface par moussage chimique. « Nous avons plusieurs pièces d'intérieur automobiles visibles de classe A qui seront bientôt commercialisées en utilisant TecoCell, car ce CFA est tout à fait unique dans sa capacité à fournir une finition de surface de classe A. »

Bien que le PP expansé ait été utilisé principalement dans des zones non structurelles de classe A telles que les composants sous le capot comme les bases et les couvercles de batterie, Glogovsky dit qu'Asahi Kasei Plastics vise à se développer dans des applications semi-structurelles. Un futur exemple potentiel est celui des consoles au sol, note-t-il. Certaines applications existantes incluent des pochettes pour cartes, des garnitures de pavillon et certaines pièces de garniture intérieure inférieures. »

Des sources chez Borealis soulignent que toute la gamme de Daploy HMS-PP sont des matériaux ramifiés à longue chaîne qui combinent une résistance à la fusion élevée et une extensibilité en phase de fusion. De plus, ces matériaux peuvent être mélangés avec la gamme complète des grades d'extrusion de PP standard et d'autres matériaux à base de polyoléfine. En tant que tels, ils offrent la possibilité d'adapter largement les propriétés de la mousse pour répondre aux demandes particulières des applications d'utilisation finale dans l'automobile, l'emballage, le bâtiment et la construction.

Sibol d'Avient note que le potentiel automobile pour la mousse PP continue d'être fort en raison de l'accent mis sur l'allègement, et encore plus maintenant que les normes CAFE sont à l'ordre du jour de l'actuelle administration américaine. Les segments du transport au-delà de l'automobile connaissent également une bonne croissance. La plupart des utilisations du PP en mousse sur lesquelles Avient s'est concentré sont dans le moulage par injection, comme les gros composants automobiles et certaines applications d'emballage. Pourtant, ses CFA sont utilisés à la fois comme agent d'allégement dans le moulage par injection et comme agent de nucléation dans l'extrusion avec injection directe de gaz, pour créer une structure de mousse plus fine.

Le deuxième domaine de croissance ciblé par Trexel pour le PP non chargé concerne les applications d'emballage à paroi mince, car MuCell améliore la capacité du matériau à s'écouler librement et à remplir des pièces plus minces moulées sur la même presse de taille.

Croissance de l'emballage

Deuxième domaine de croissance ciblé par Trexel pour les non pourvus Le PP est destiné aux applications d'emballage à paroi mince comme les récipients, les tasses, les bols, les couvercles et les becs verseurs. Bechard déclare : « Avec MuCell, nous améliorons la capacité du matériau à s'écouler librement, ce qui permet de mouler des pièces plus minces sur un équipement de même taille. Nous travaillons en étroite collaboration avec plusieurs propriétaires de marques et grands mouleurs d'emballages pour mettre sur le marché des produits commerciaux utilisant cette technologie. Il a noté qu'au dernier Chinaplas, le constructeur chinois de machines d'injection Yizumi (parent de Yizumi HPM aux États-Unis) a utilisé MuCell pour mouler un bol qui a obtenu une réduction de poids de 5 %, une pression d'injection inférieure de 15 % et une réduction de 20 % du tonnage de serrage par rapport à .moulage solide. Des résultats similaires ont été obtenus avec un contenant de beurre lors du dernier salon K.

Les sources de l'activité Foam &Lightweight de SABIC constatent une demande accrue de mousse PP dans les boîtes et palettes consignées du commerce électronique, les emballages alimentaires et les emballages de protection. SABIC a lancé son matériau PP-UMS (ultra-résistance à l'état fondu) fin 2017. Une source de l'équipe a déclaré :« Développer le marché et les applications prend du temps. Surtout dans l'industrie du moussage, qui peut être assez conservatrice. La croissance a eu lieu depuis lors, mais elle a certainement été stimulée en 2020 et se poursuit toujours en 2021. »

Sotos d'iD Additives dit qu'un grand marché du PP expansé pour son entreprise est celui des emballages industriels comme les gaylords et les palettes.

Glogovsky d'Asahi Kasei voit un potentiel d'expansion sur le marché de l'emballage, en particulier pour le fardage en raison de ses parois épaisses, laissant place à une amélioration du temps de cycle. « Pour les pièces à section épaisse, le processus de moulage est très long en raison du temps de refroidissement nécessaire pour évacuer la chaleur. Avec le moussage, le temps de refroidissement sera plus court car la masse de matière sera réduite. Cela pourrait économiser de 5 % à 35 % du temps de cycle. »

Les sources de Borealis notent que les résines Daploy HMS-PP et leurs mélanges ne sont pas réticulés. Cela signifie que les mousses PP extrudées qui en résultent sont entièrement recyclables, un facteur de plus en plus important dans l'emballage et d'autres segments industriels de l'industrie des plastiques.

Ron Bishop (à droite) d'iD Additives et un technicien de moulage examinent la mousse fabriquée avec le nouveau Micro Fine Cell CFA.

Bâtiment/Construction et autres applications

Sotos considère le bois d'œuvre plastique comme un candidat évident pour la mousse PP, mais son entreprise a également effectué des travaux sur des pièces pour la toiture et d'autres applications connexes, telles que des boîtes à outils et des niveaux pour la construction.

Les mousses structurelles et les composants de construction préfabriqués tels que l'isolation pour les maisons, les tuyaux et les sous-couches de sol sont des applications poursuivies par l'équipe Foam &Lightweight de SABIC. Glogovsky d'Asahi Kasei ne considère pas l'allègement comme un moteur essentiel sur ce marché, si ce n'est qu'il affecte les coûts d'expédition. « Si les applications sont étendues aux marchés du bâtiment et de la construction, le raisonnement sera probablement une réduction des coûts résultant d'une utilisation de matériaux et d'un temps de cycle inférieurs. »

Pendant ce temps, Glogovsky considère les applications grand public et de santé comme des possibilités pour la mousse PP au cas par cas, en fonction de la possibilité d'amélioration du temps de cycle. Bechard note que Trexel travaille avec une grande entreprise de produits ménagers qui explore l'utilisation du TecoCell CFA de l'entreprise pour réduire les coûts et la consommation de résine dans toute sa gamme de produits. Et ID Additives a travaillé avec un certain nombre d'entreprises sur des biens de consommation tels que des cintres en mousse de plastique PP. Et des applications de niche telles que les chaussures sont citées par l'équipe Foam &Lightweight de SABIC.

Le PP renforcé de verre court et couplé chimiquement en Thermylène d'Asahi Kasei a été utilisé dans les modules de toit ouvrant en mousse pour remplacer le verre long/PP sans mousse. (Photo :SPE Automotive) PP renforcé.

Dernières avancées

L'équipe automobile de SABIC lancera un nouveau portefeuille de composés PP en mousse pour les applications esthétiques d'intérieur automobile d'ici le début de 2022. Trois composés initiaux démontreraient une finition de surface améliorée pour ces pièces.

Asahi Kasei a développé des matériaux pour le moussage qui améliorent la cosmétique et l'allègement. Ces technologies incluent le PP renforcé de verre court et couplé chimiquement au Thermylène, qui a été utilisé dans les modules de toit ouvrant en mousse, où il a pu remplacer le PP à verre long non mousse plus coûteux, et a été vanté pour fournir de bons produits cosmétiques.

Sotos d'iD Additives affirme que le lancement de ses CFA Micro Fine Cell a changé la donne pour l'entreprise car il lui a permis de cibler des applications à parois plus fines.

Dans la même veine, au NPE2018, Trexel a lancé le système à gaz MuCell P-Series conçu spécifiquement pour les solutions d'emballage à paroi mince et à cycle rapide. Selon Bechard, « Depuis lors, nous avons considérablement augmenté notre flexibilité dans la mise en œuvre de MuCell en proposant un dosage à vis, où nous gérons l'introduction et le mélange du gaz dans une zone plus courte, ce qui nous permet d'équiper les vis standard d'un embout de vis spécial pour dosage de gaz. Ceci est particulièrement important pour les applications d'emballage où le rendement est primordial, car cette conception ne limite pas le rendement de plastification comme le fait notre conception de vis traditionnelle. "

Trexel a également récemment complété ses unités de dosage par satellite avec une gamme puissante et peu coûteuse de surpresseurs de gaz centraux, qui offrent aux mouleurs qui feront fonctionner plusieurs machines à l'aide de MuCell une option de mise en œuvre flexible et peu coûteuse.

Selon Sibol, le portefeuille élargi d'Avient de CFA liquides et solides et l'assistance aux tests peuvent aider les clients qui cherchent à repousser les limites de l'allègement tout en conservant les propriétés mécaniques, en particulier pour les pièces techniques. « La petite taille des cellules et la capacité de manipuler l'esthétique de la surface sont importantes, mais nous sommes également en mesure de manipuler les propriétés de la surface. Nous avons développé une technologie qui permet de peindre et/ou d'autocollants sans couronne ni autre traitement de surface. Les études clients montrent que nous pouvons également améliorer l'efficacité. Par exemple, parfois, le CFA liquide pompé dans la presse a plus de sens en fonction des opérations et des investissements qui seraient nécessaires pour mettre en œuvre des CFA solides. »

L'équipe Foam &Lightweight de SABIC présente son PP-UMS comme un PP moussant à haute résistance à la fusion de nouvelle génération. Avec une résistance à l'état fondu de plus de 65 cN, il a été démontré qu'il crée une bonne aptitude au moussage, en particulier si des taux d'expansion élevés sont requis. Il est appliqué commercialement à l'automobile, à l'emballage (y compris les contenants alimentaires comme alternative au PSE) et au bâtiment/construction.

Le PP-UMS de SABIC peut produire des récipients alimentaires en mousse pouvant remplacer le PSE.