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"Procédé et appareil pour la production de filets par extrusion"
La présente invention concerne un procédé et un appareil pour la production de filets extrudés en matière plastique. De façon plus particulière, elle concerne un procédé et un appareil pour la production d'un filet extrudé constitué de fibres polymères liées thermiquement les unes aux autres.
Il est connu d'extruder des matières polymè- res sous forme d'une fibre ou d'un tube cylindri- que à l'aide d'une filière métallique. On a égale- ment pu extruder des feuilles thermoplastiques
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droites et divers autres demi-produits à sections transversales variables. Il est également connu d'extruder des matières plastiques à l'aide de fi- lières et de travailler ensuite les matières en les soumettant à l'étirage, estampage, découpage ou filaee de façon à obtenir des formes et des di- mensions différentes ayant des résistances et des applications variables. Cependant, tous les essais pour obtonir une forme extrudée présentant des in- terstices ouverts directement pendant l'extrusion et sans nécessité d'un traitement auxiliaire, n'ont pas été couronnés de succès.
De façon plus précise on n'a jamais réussi à mettre au point un moyen efficace pour obtenir un filet ou une corde en ra- tière plastique formé de fibres croisées et réunies en une seule opération d'extriision, tel qu'il est obtenu par la présente invention.
Il est également connu de produire des fibres par filage au mouillé à travers des orifices fins.
De même que dans le cas des fibres extrudées au fondu, on n'a pas réussi à élaborer de procédé efficace pour former de telles fibres en filets ou en cordes pendant lA filage même, tous lespro- cédés connus des spécialistes nécessitant en effet un traitement additionnel et un tissage pour ote nir des produits de ce type avec les fibres.
Les buts de la présente invention sont de fournir: - un procédé de production d'un filet ou d'une
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cordo de fibres polymères par extrusion ou fila- ge au mouillé de ces fibres sans nécessité do traitements additionnels, - un procédé de production d'un filet ou d'une cor- de en fibres polymères liées las unes aux autres à proximité du point d'extrusion ou de filage, - et, un appareil permettant la production d'un filet ou d'une corde de fibres polymères.
Selon la présente invention, dans un procédé de production d'un filet thermoplastique extrudé, on extrude une premier:' série de fibres thermo- plastiques, individuelles et parallèles, agencées en un cercle, on extrude une seconde série de fi- bres thermoplastiques, individuelles et parallèles, agencées en un cercle qui est conccntrique au pre- mier cercle de fibres extrudées, et on dirige les séries respectives des fibres le long da parcours qui se coupent.
Dans le procédé de la présente.invention, les fibres polymères sont extrudées ou filées au mouil- lé à partir de séries d'orifices, ces séries d'o- rifices étant espacées et disposées dans des filiè- res séparées. les filières sont placées à peu près concentriquement et sont susceptibles d'avoir un mouvement annulaire relatif pendant l'extrusion, de sorte que les fibres extrudées d'une filière viennent en contact avec les fibres extrudées de la seconde filière sans être parallèles à celles-ci.
Ce contact s'établit on un point voisin du point d'extrusion, si bien que les fibres mises on
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contact les unes avec les autres sont liées.
Selon le mode de réalisation préféré de l'in- vantion, les fibres sont extrudées au fondu .par des orifices disposés en un cercle dans une filiè- re intérieure, et les autres fibres, qui ne sont pas nécesnsiaremetn du même diamètre que les fibres intérieures, sont extrudées par d'autres orifices formés dans une filière séparée et agencée en un cercle concentrique à celui de la première filière.
Les fibres de chaque filière sont retirées et main- tenues parallèles pendant que se poursuit l'extru- sion, et pendant ce temps, au moins une des filiè- res est entraînée en rotation de façon à procurer le mouvement rotatif par rapport aux orifices de l'autre filière. En un point commode proche de la face des filières, les fibres extrudées de la fi- lière intérieure sont mises fermement en contact avec les fibres extrudées de la filière extérieure, et ceci pendant que les fibres sont encore à l'état thermoplastique ct sensiblement à leur température d'extrusion, de sorts que les fibres intérieures soient liées aux fibres extérieures à leurs points de contact.
Avec une telle liaison, on obtient un filet cylindrique do amtière plastique qui est ré- sistant et d'aspect plaisant, ce filet étant cons- titué par das fibres intérieures parallèles et par des fibres extérieures parallèles qui sont fixées aux premières fibres selon un angle déterminé qui dépend des vitesses de rotation dos deux filières et du taux d'extrusion.
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Un gabarit fixe ayant un diamètre au moins aussi grand mais sensiblement pas plus grand que celui du plus grand cercle des orifices de filière, peut être disposé à une certaine distance, de la face des filières d'extrusion rotatives, et 10 fi-- let peut être passé sur ce gabarit afin do lui con- server sa foras cylindrique et de presser ferm les fibres intérieures du filet contre les fibres extérieures. Ce gabarit doit être disposé aussi près que possible des faces des filières, do façon que les fibres croisées viennent à son contact avant d'avoir été par trop refroidies.
La tempra ture du gabarit doit être réglée de façon que les fibres qui passent à sa surface no puissent y adhé- rer Si la température du gabarit est d'environ 5 C inférieure à la température d'extrusion, on obtient e bons résultats.
Il ost préférable d'extruder ou d:- fil:r au mouillé ls fibres dans 1 sons descendant, de sorte que leur propre poids contribue à les faire passer sur le gabarit sans les soumettra à une contrainte inutilc. Il est également préférable que des rouleaux entraînés soient prévus pour pres ser le filet contre le gabarit, pour faciliter la passage sur le gabarit ct pour fixer de façon plus solide les joints aux intersections des fibres. Il est égaleront préférable ded comprimer les joints entre les fibres les uns contre les autras pour que l'épaisseur do ces joints soit inférieure aux dia- mètres combinés de deux fibres se croisant.
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Selon le type de résine utilisa, les rouleaux ne doivent pas être plus rapprochés du gabarit que d'une distance égale à l'épaisseur de la fibre in- férieure, car on évite ainsi un étalenent excessif du joint. Ces rouleaux peuvent être chauffas de fa- çon à assurer une meilleure liaison des fibres aux points d'intersection et améliorer la liaison entre les fibres déjà liées. En variante, c'est le gaba- rit qui est chauffé, ou encore à la fois le gabarit et les rouleaux.
Dans une variante du procédé de liaison des fibres les unes aux autres au nouent où elles se coupent, il est prévu une baue fixée à l'appareil d'extrusion mais à une certaine distance de celui- ci. Les deux séries de fibres à lier passent sur l'extérieur de cette bague et sont, de ce fait, pressées les unes aux autres, car le diamètre cxté rieur de cette bague est au moins aussi [rand que le diamètre du cercle extérieur des orifices. Ce procédé va être expliqué plus en détail au moment où l'on se référera au dessin.
On peut faire passer le filet polymère lié obtenu conformément à le. présente invention, dans un bain chauffé dans lequel il est étiré et orienté, de façon à accroître sa résistance et changer sa forme. Un mandrin peut être disposé dans ce bain et le filet cylindrique lié passa sur co mandrin, dont le diamètre peut âtre plus grand que calui du filet extrudé, cette différence entra les diamètres étant fonction du taux d'étirage désiré.
On peut ensuite
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retirer le filet du mandrin à un taux plus rapide que celui auquel le filet a été initialement mis en contact avec le mandrin, ce qui permet d'assurer simultanément un étirage longitudinal du filet pen- dant que celui-ci est étiré axialement par l'ac- tion du mandrin. Le liquide contenu dans ce bain a une double utilité : d'une part il procure la chaleur nécessaire au maintien da la matière poly- mère à la température d'orientation optimum, et d'autre part, il assure la lubrification entre le mandrin et le filet pour que le passage sur le mandrin se fasse de façon régulière.
Dans le cas de certains polymères tels que le téréphatalte de polyéthylène, ou la poly méta-xyly- lène adipamide le'filet polymère orienté,qui l'on obtient à la suite de l'opération d'orientation précitée, est contractile à des température rela tivement basses.
Si l'on désire effectuer une cris- tallisation ou une stabilisation ther-iquye du filet, c'est-à-dire le rendre sensiblement non contractile jusqu'à des températures d'environ 120 C, on peut conserver au filet oriente son diamètre en le fai- sant passer sur un second mandrin dont le diamètre est à peu près égal à celui du filet orienté, pour empocher la contraction, et en le chauffant simul- tanément à une température supérieure à la tempé rature de transition du second ordre des fibres polymères riais inférieure à leur point de fusion.
Cette température est de préférence celle à la- quelle le taux de cristallisation est maximjm
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Pour la mise en oeuvre de la présente inven- tion, on a donné dans le tableau , ci-dessous, les valeurs typiques des chaleurs d'extrusion, d'orien- tation et de la stabilisation thermique, pour di- verses fibres. On doit faire particulièrement re- marquer que ces températures ne sont que tout-à- fait approximatives et ne limitent d'aucune façon la portée de l'invention.
TABLEAU
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<tb> Matière <SEP> Températures <SEP> Températures <SEP> Températures
<tb> d'extrusion <SEP> d'orientation <SEP> de <SEP> stabilisa-
<tb> C <SEP> C <SEP> tion <SEP> thermique
<tb> C
<tb>
<tb>
<tb> Polyéthylène <SEP> 180-250 <SEP> 18-108 <SEP> 100
<tb>
<tb> Polyéthylène
<tb> "DYNK" <SEP> 220 <SEP> 24 <SEP> -
<tb>
<tb> Polysthylène
<tb> de <SEP> densité
<tb> élevée <SEP> 200-250 <SEP> 95-100 <SEP> '.100
<tb>
<tb> Polystyrène <SEP> 240-280 <SEP> 135 <SEP> 90
<tb> (nominal <SEP> 2758
<tb>
<tb> Chlorure <SEP> de <SEP> 150-170
<tb> vinyle <SEP> et <SEP> ses
<tb> copoylmères <SEP> (nominal <SEP> 160 C)
<SEP> 100 <SEP> 100
<tb>
<tb> Pol <SEP> y <SEP> pr <SEP> opy- <SEP>
<tb> lène <SEP> 2CO-250 <SEP> 115-135 <SEP> 100
<tb>
Le polyéthylène "DYNK" est produit par "Union Carbide Plastics Company" sous pression élevée et à une tempé- rature élevée en présence d'un catalyseur oxygéné du type à radiéaux libres. Son indice à l'état fondu, tel que déterminé par la méthode décrite par l'ASTI.: ------
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(Association Américaine pour les Essais des Maté riaux) sous le N D 1238-52T, est d'environ 0,3 dg/min., at sa densité est d'environ 0,920 g par cm3
Dans tous les cas, la stabilisation thermique doit s'effectuer à une température inférieure à celle d'orientation.
L'invention va maintenant être décrite de fa- çon plus détaillée en référence au dessin annexé sur lequel : - là figure 1 est une vue de la faco des filières d'extrusion, observée dans le sens parallèle et opposé à la direction d'extrusion ; - la figure 2 est une coupe transversale des appa- reils d'extrusion et du gabarit; - la figure 3 est une vuc en élévation d'un agen comment de l'appareil permettant d'orienter le filet polymère extrudé ou filé; - la figure 4 représente un type d'appareil pour l'extrusion de cordes ou de câbles cojnformément à l'invention.
Sur la figura 1, la filière d'extrusion inté- rieurs 11 remporte une série d'orifices d'extrusion 12 agencés en un cercle. La filière d'extrusion ex- térieure 13 comporta une série d'orifices d'extru- sion 14 agencés en un cercle qui est concentrique au cercel dos orifices de la filère intérieure.
Pendant qu'on extrude les fibres par les orifices, on faittourner la filière intérieure dans u sans et la filière extérieure dans le sens opposé, de
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sorte que les fibres tout an restant parallèles aux autres fibres provenant de la même filière, fassent un angle avec les fibres extrudées de l'autre fi- lière et, quand elles viennent en contact avec cas dernières, forcent un filet résistant et d'un as- pect plaisant, constitué par des fibres croisées.
On comprendra qu'il est parfaitmeent possible de faire tourner seulement une filière pendant que l'autre filière reste fixe, ou qu'on peut faire tourner les deux filières à des vitesses différen- tes ou par intermittence, co qui permet d'obtenir des types de filets très variés. De plus, l'espace- ment entre les orifices dans l'une ou dans l'autre filière peut également être varié, ce qui perment de fabriquer des filets de modèles extrêmement divers.
Sur la figure 2, les fibres extrudées 15 sont montrées comme étant éjectées do la filière nté rieure 11 tandis que les fibres extrudés proiv n nent de la filière extérieur 13. Comme cas filières tournent dans des sens opposés, les fibres extru- dées de chaque filière suivent des parcours formant un angle avec les parcours desfibres d l'autrc filière, t lorsque les deux séries d fibres vien- nent en contact les unes avec les autres sur le ga- barit 17, ells prment les positions nécessaires pour forcer un filet cylindrique de fibres croisées.
Comme ces fibres restât excore chaudes da leur extrusion, elles s.: linet eficamet les unes aux autres à leurs points d contact, et le filet
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terminé peut être retira du gabarit 17.
Après que le filt 18 a Passé sur le gabarit
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17, on peut le soumettre à d'autres traitonts, comme on voit sur la figure 3, en le; faisant pas-
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ser dans un bain chauffa 19 et sur un mandrin 20.
Le filet est étir pendant qu'on le tire sur le mandrin 20 par application de la tension à l'extré- mité du filet, par exemple, on faisant rouler le filet entre deux rouleaux 21 à une vitesse plus élevée que sa vitesse d passai dans 1 bain.
Cette action d'étirai a pour effet d'étirer le
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filet aussi bien radialei#znt qu'axialocnt, et les fibres individujllos du filet sont ainsi orienta es et renforcées. En variante, le filet pourrait être sculement étiré dans lc sens axial sans utiliser de mandrin, mais dans ce cas la filet aurait tan dance à se recroqueviller.. L'anneau 22, représenté cn section transversale,qui cntoure le filet avant
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son passage sur la Handrin 20 est disposé à proxi- mité du mandrin. Le iaciètrc d-i cet anneau et la distance à laquelle il est placé du mandrin déter
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minent l'angle 23 auquel la filet va 'tr. tiré par rapport à la verticale, et cet angl, à son tour, détrminG le taux ot le sens da 1''tirage.
On effec- tue un ajustage dinutieux de cet angle pour obtenir le maxinum d'orientation. L: diamètre de l'anneau 22 doit être à peu près égal au diamètre extérieur du filet c--lindriquc au moment de son entrée dans le bain 15
Pour obtenir un-- bonne orientation, on peut
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étirer le polyéthylène de faible densité jusqu'en- viron 500 à 550; do sa longueur initiale, tandis que lz polyéthylène de densit5 élevée est 6tabin" jusqu'environ 1000% de sa lonuur initiale. La dimension d; l'anneau 22 et la dimension et 1'em
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l,lacem:nt du mandrin 20 doivent 8tr* t:11:s que l'angle 23 soit d'environ 45 .
En général, plus retirai ;st poussé, plus 1- filet obtenu sera résistant.
Pour la préparation d'un filet orisnté et
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cristallisé à partir d'un polymère tharmoplastiquc, il cst préférable 1= fair:. subir aux fibres poly- mères un trait.::;=.::m.t additionnel après leur liaison 1:s uns aux autres. ïês fibres axtrud5es ou filmas au ouil15, après avoir fit initialement 3xtruëê3s et filles et -¯-risuitz, T,rs fibrs refroiPi?s, sont dans un état acorphe. Les fibres amorphes sont cas- santes et ont une faibl résistance à la traction.
On n'observe pas de cristallinité notable quand on les soumet à un,: analyse par diffraction aux rayons X ou lorsqu'on mesure leur densité. Los fibres ne
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peuvent pas vtr facilecant tirées à tenm rature atiant2 0t ne subissent qu'UTC faibl: contraction quand on leur :.cr Lt d se relâcher et qu'on les soûlot à àis t8raturGS é13vées.
On peut transforac-r les fibres ao0h3S en fi- bres tnac3 et fortement contractiles, an les chauf- fant et n 'ls étirant et orientant suivant deux axes et ,;ans un:.: gemme de t;c.YJ3ratur-s supérieure à la teopêrature d3 transition du seccni ordre. Bais
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cependant inférieure à la température à laquelle la polymère tend à s'amincir sans orientation mo- léculaire appréciable, c'est-à-dire à des tempéra- tures voisines du point de fusion de la résine.
Par "température de transition du second ordre", on entend la température à laquelle on observe une discontinuité dans la dériv4e première d'une quan- tité thermodynamique primiare par rapport à la tem- pérature, cette température ne s'accompagnant pas de la chaleur latente usuelle qui apparaît aux températures de transition du premier ordre. Elle; est fonction de la fluidité du poymère et do la température de limite élastique. Certaines des propri tés thermodynamiques pouvant être observées pour la détermination du point de transition du second ordre sont : le volume spécifique, la cha- leur spécifique, la densité, l'indice de réfrac- tion et 1e module d'élasticité.
Comme chaque composition du polymère et cha- que taux de chauffage peuvent influer sur la tem- pérature de transition du second ordrc qui a été observée, on peut facliemet déterminer la tempé- rature et le taux de chauffage permettant d'obte- nir un.# orientation optimum par de simples essais empiriques.
Il est préférable quo pendant la phase d'o- rientation 13 filet suive un parcours descendant, pour permettre un chauffage et un étirage uniformes, bien que d'autres mouvements directionnels, tels quo lc mouvement horizontal ou anulair, puissent
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se traduire par l'obtention du résultat désiré. Il reste entendu que l'orientation du filet peut ête assurée au cours d'un.? opération autonome, pouvant éventuellement être combinée avec l'extrusion pro- prement dite du filet et son passage sur le gaba- rit.
Le filet orienté de polyéthylène, ayant été obtenu par le procédé décrit ci-dessus et ensuite orienté à des températures voisines de la tempé- rature de transition du second ordre, est limpide, transparent, tenace et contractile. Il est égale- ment susceptible d'être scellé à chaud. Un filet de pbly méta-xylylène adipamide à orientation bi-axia- le peut également être orienté à une température supérieure à la température de transition du second ordre, qui est d'environ 68 C, pour obtenir un filet limpide et tenace.
Les filets orientés et contractiles convien- nent admirablement lorsqu'il s'ait d'ajuster une peau de façon serrée autour d'un article de forme irrégulière. L'objet à empaqueter peut âtre placé dans un sac non ajusté formé d'un tel filet orienté et ensuite il suffit de chauffer le filet au-dessus de la température de transition du second ordre pour l'obliger à se contracter en épousant étroite- ment le contenu du paquet.
Un filet de polyéthylène ayant été extrudé, bi-axialement étiré et orienta conformément au pro- cédé sus-visé, se contracte presqu'instantanément lorsqu'on le plonge dans 1'eau chaude à une
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température supérieure à 52 C.
Lorsqu'on désire obtenir un filet ayant une stabilité dimensionnelle à des températures élevées on peut chauffer le filet de polyéthylène à des températures supérieures à la température de tran- sition de second ordre mais inférieure à la tempé- rature à laquelle la fibre commence à perdre son orientation moléculaire et se cristallise sous ten- sion. Ce procédé va maintenant être décrit en détail.
Lorsque le polyéthylène fondu extrudé sous forme d3 fibres ast rapidement refroidi à la tempé- rature ambiante, on obtient dos fibres amorphes qui ne présentent qu'une très faible tendance à la cristallisation pendant des longues périodes de temps. Le filet amorphe, après avoir été chauffé approximativement à sa température de transition du second ordre, se ramollit facilemetn et change de sa consistance non élastique à une consistance caoutchoutée, facile à étirer et à déformer. Dans cet état étirable, les fibres de polyéthylène sont faciles à détendre en leur appliquant des forces relativement faibles pour mettre sous tension des fibres hautement orientées: même à sa température de transition du second ordre, le polyéthylène se cristallise lentement.
La cristallisation s'amorce facilement dans des fibres orientées de polyéthylène quand on les expose à des températures plus élevées. Le taux de cristallisation augmente quand la température
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atteint environ 180 C, A des températures supérieu- res à 180 C environ, le taux de cristallisation tend à décroître.. A des températures encore plus élevées, c'est-à-dire au voisinage du point de fu- sion, le filet commence à perdre une partie de l'o- rientation moléculaire qui lui avait été impartie aux plus basses températures.
Gomme il a déjà été dit, on procède à la sta bilisation thermique du fil orienté en le chauffant dans un bain comme celui de la-figure 3, tout en le faisant passer sur un mandrin tel que 20, sauf que le filet n'est pas étiré mais simplement main- tenu à son diamètre. On n'applique la chaleur au filet que pendant qu'il est maintenu à son diamè- , tre par le mandrin, car autrement il se contracte- rait si on le chauffait sans le faire passer sur le mandrin.
Le filet cristallisé et orienté bi-axialement est limpide, tenace, transparent et ses dimensions ont une stabilité thermique à des températures jusqu'à 120 C ou mène plus hautes salon la degré de cristallisation obtenu.
Le procédé qui vient d'être décrit peut être utilisé pour régler le taux de contraction du filet de polyéthylène. Le temps et la température auxquels le filet bi-axialement orienté est soumis pendant le stade de stabilisation permet de déterminer le degré de contraction.
Bien qua le mode de réalisation qui vient d'être décrit l'ait été à propos du polyéthylène,
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il reste bien entendu que l'invention n'est pas limitée à cette application.
On peut égalemetn obtenir des structures simi- laires à celles réalisées par l'axtrusion au fondu et le refroidisemetn ultérieur de la matière plas- tique conformément à la présente invention, en uti- lisant de la viscose, une solution de cuprammonium, ou des liquides conagualbes similarires extrudés dans un appareil comme celui qui vient d'être décrit, directement dans le bain de coagulatoon
Par exemple, la viscose ayant une composition et un indice salin normalemetn utilisés pour la fa- brication de la rayonne, peut être pompée dans la filière 3t continuellement extradée par des petits trous dans un bain de filage de la rayonne conte- nant environ, en poids, 10 parties d'acide sulfuri- que, environ 18 parties de sulfate de sodium et 72 parties d'eau.
Des petites quantités d'autres agents corumment utilisés, par exemple 2 parties de glu- cose et/ou 1 partie de sulfate dd zinc, peuvent être ajoutées au tain, t l'on obtient ainsi des fila- monts ayant une section transversale sensiblement plus grande que celle du plus gros fil de rayonne que l'on peut produire dans l'industrie. Des quan- tités substantielles de sulfate d'ammonium peuvent également être ajoutées au bain de coagulation.
Les structures en force de filet sortant de la filière peuvent être étirées à des vitesses sensible- men supérieures à celles auxquelles les jets de vis- cose sortent de la filière, si bien que la structure
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obtenue peut être davantage détendue et présenter une plus grande résistance.
Un autre mode de réalisation de la présente invention se prête admirablement à la production des fils,. ds câblés et dos cordages. Les fibres polymères sont extrudées au fondu ou filées au mouillé, comme il a été dit, sauf qu'on produit plusieurs couches de filets cylindriques et concen- triques au lieu des deux couches précédentes Les filets cylindriques et concentriques sont formés de fibres disposées en cercles de beaucoup plus
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petits diaaêtres que eaux prée6den-mont décrits, et on peut tirer tous les filets individuels ensemble à travers un- bague defaçon à les réunir en un câblé ou en un corde résistante de ratière poly- mèe Le câblé peut être ensuite orienté et stabi-
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lisé t h4rr.ique.:
.¯¯^.t cocme il a été décrit, sauf qu'on n'utilise pas d- mandrin à l'intérieur du câblé.
Sur la figure 4, des filets cylindriques indi- viducls 30,31 et 32 sont extrudés dos filières
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34, 35 et 36 rcspsetiven r.t et passent sur des ba- gues 38, 39 et 4v ï-o5ßctiv:..ent, qui sont reliées aux filières CO:1::: .réc3dL:¯ac nt. Après la jonction des différents filets, on peut los étirer pour for- mer ainsi une corde résistance à couches composites.
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Une matière extrudablo et fénératricc de riono- filaments peut 3tre utilisée dans le procédé de l'invention. Ferni cis natièras on p3¯'t aptionr.er :
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le polyéthylène le polyproylène le "nylon" le téréphtlates de polyéthylène des résines da vinylidènc et leurs copolyjèmers
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les copolynères dlétiiylùn3 et d'autres olivines le polyecrylonitril- et ses copolymères le chlorurs de vinyle et ses copolynères l'acétate de viny13 et ses coplymères le polystyrène
Le filet obtenu par la présente invention se
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prête facilement à un (rand nowibre d'utilisations.
On peut l'utiliser dans sa forme cylindrique pour recouvrir des articles tels que des bouteilles. Ou la cylindre peut être fondu pour forcer une pièce de filet plat que l'on peut découper alors à la forme et aux dimensions désirées.