Procédé de fabrication d'un filet thermoplastique extrudé
et appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un filet thermoplastique extrudé et un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé, par exemple un filet extrudé constitué par des fibres polymères liées thermiquement les unes aux autres.
I1 est connu d'extruder des matières polymères sous forme d'une fibre ou d'un tube cylindrique à l'aide d'une filière métallique. On a également pu extruder des feuilles thermoplastiques droites et divers autres demi-produits à sections transversales variables. I1 est également connu d'extruder des matières plastiques à l'aide de filières et de travailler ensuite les matières en les soumettant à l'étirage, estampage, découpage ou filage de façon à obtenir des formes et des dimensions différentes ayant des résistances et des applications variables. Cependant, tous les essais pour obtenir une forme extrudée présentant des interstices 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 en matière plastique formé de fibres croisées et réunies en une seule opération d'extrusion.
I1 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 pendant le filage même, tous les procédés connus des spécialistes nécessitant en effet un traitement additionnel et un tissage pour obtenir des produits de ce type avec les fibres.
Selon la présente invention, le procédé de fabrication d'un filet thermoplastique extrudé est caractérisé en ce qu'on extrude une première série de fibres thermoplastiques, individuelles et parallèles, agencées en un cercle, qu'on extrude une seconde série de fibres thermoplastiques, individuelles et parallèles, agencées en un cercle qui est concentrique au premier cercle de fibres extrudées, et qu'on dirige les séries respectives des fibres le long de parcours qui se coupent.
L'appareil que comprend aussi l'invention, pour la mise en oeuvre de ce procédé, est caractérisé en ce qu'il comprend une filière d'extrusion circulaire intérieure, comportant une série d'orifices d'extrusion disposés en cercle, et une filière d'extrusion annulaire extérieure disposée autour de la filière intérieure et comportant une série d'orifices d'extrusion disposés en un cercle concentrique au cercle des orifices de la filière intérieure.
Dans une mise en oeuvre particulière du procédé, les fibres sont extrudées au fondu par des orifices disposés en un cercle dans une filière intérieure, et les autres fibres, qui ne sont pas nécessairement 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 maintenues parallèles pendant que se poursuit l'extrusion, et, pendant ce temps, au moins une des filières 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 filière 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 et sensiblement à leur température d'extrusion, de sorte que les fibres intérieures soient liées aux fibres extérieures à leurs points de contact. Avec une telle liaison, on obtient un filet cylindrique de matière plastique qui est résistant et d'aspect plaisant, ce filet étant constitué par des 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 des deux filières et du taux d'extrusion.
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 le filet peut être passé sur ce gabarit afin de lui conserver sa forme cylindrique et de presser fermement les fibres intérieures du filet contre les fibres extérieures. Ce gabarit est avantageusement disposé aussi près que possible des faces des filières, de façon que les fibres croisées viennent à son contact avant d'avoir été par trop refroidies.
La température du gabarit est réglée de façon que les fibres qui passent à sa surface ne puissent y adhérer. Si la température du gabarit est d'environ 500 C inférieure à la température d'extrusion, on obtient de bons résultats.
I1 est préférable d'extruder les fibres dans le sens descendant, de sorte que leur propre poids contribue à les faire passer sur le gabarit sans les soumettre à une contrainte inutile. Il est également préférable que des rouleaux entraînés soient prévus pour presser le filet contre le gabarit, pour faciliter le passage sur le gabarit et pour fixer de façon plus solide les joints aux intesections des fibres. Lu est également préférable de comprimer les joints entre les fibres les uns contre les autres pour que l'épaisseur de ces joints soit inférieure à la somme des diamètres de deux fibres se croisant. Selon le type de résine utilisé, les rouleaux ne doivent pas être plus rapprochés du gabarit que d'une distance égale à l'épaisseur de la fibre inférieure, car on évite ainsi un étalement excessif du joint.
Ces rouleaux peuvent être chauffés de façon 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 gabarit 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 moment où elles se coupent, il est prévu une bague 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 sur les autres, car le diamètre extérieur de cette bague est au moins aussi grand 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 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 passe sur ce mandrin, dont le diamètre peut être plus grand que celui du filet extrudé, cette différence entre les diamètres étant fonction du taux d'étirage désiré. On peut ensuite 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 pendant que celui-ci est étiré axialement par l'action du mandrin. Le liquide contenu dans ce bain a une double utilité: d'une part il procure la chaleur nécessaire au maintien de la matière polymère 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 téréphtalate de polyéthylène, ou la poly méta-xylylène adipamide, le filet polymère orienté, que l'on obtient à la suite de l'opération d'orientation précitée, est contractile à des températures relativement basses. Si l'on désire effectuer une cristallisation ou une stabilisation thermique du filet, c'est-à-dire le rendre sensiblement non contractile jusqu'à des températures d'environ 1200 C, on peut conserver au filet orienté son diamètre en le faisant passer sur un second mandrin dont le diamètre est à peu près égal à celui du filet orienté, pour empêcher la contraction, et en le chauffant simultanément à une température supérieure à la température de transition du second ordre des fibres polymères mais inférieure à leur point de fusion.
Cette température est de préférence celle à laquelle le taux de cristallisation est maximum.
On donne dans le tableau ci-dessous les valeurs typiques des chaleurs d'extrusion, d'orientation et de la stabilisation thermique, pour diverses fibres. On remarquera que ces températures ne sont qu'approximatives.
Tableau
Temperatures Tempe ratures
Matière ou Temperatures ou de stabilisation
thermique oC d'orientation oÇ thermique oÇ
Polyéthylène. 180-250 18-108 100
Polyéthylène DYNK > 220 24
Polyéthylène de densité élevée . 200-250 95-100 100
240-280
Polystyrène . (nominal 2750 C) 135 90
150-170
Chlorure de vinyle et ses copolymères (nominal 1600 C) 100 100
Polypropylène 200-250 115-135 100
Le polyéthylène DYNK est produit par Union Carbide Plastics Company sous pression élevée et à une température élevée en présence d'un catalyseur oxygéné du type à radicaux libres.
Son indice à l'état fondu, tel que déterminé par la mé thode décrite par L'ASTI : (Association Américaine pour les Essais des Matériaux) sous le No D 123852T, est d'environ 0,3 dg/min, et 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.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, quelques formes d'exécution de l'appareil que comprend l'invention, permettant diverses mises en oeuvre du procédé que comprend aussi l'invention.
La fig. 1 est une vue de face des filières d'extrusion d'une première forme d'exécution de l'appareil, observées dans le sens parallèle et opposé à la direction d'extrusion;
la fig. 2 est une coupe transversale des filières d'extrusion et d'un gabarit que comprend ledit ap pareil
la fig. 3 est une vue en élévation de l'appareil qui permet d'orienter le filet polymère extrudé;
la fig. 4 représente une autre forme d'exécution de l'appareil, pour l'extrusion d'un filet à plusieurs couches.
L'appareil représenté aux fig. 1 à 3 comprend une filière d'extrusion intérieure 11 comportant une série d'orifices d'extrusion 12 disposés sur un cercle.
Une filière d'extrusion extérieure 13 comporte une série d'orifices d'extrusion 14 disposés sur un cercle qui est concentrique au cercle des orifices de la filière intérieure. Pendant qu'on extrude les fibres par les orifices, on fait tourner la filière intérieure dans un sens et la filière extérieure dans le sens opposé, de sorte que les fibres, tout en restant parallèles aux autres fibres provenant de la même filière, fassent un angle avec les fibres extrudées de l'autre filière et, quand elles viennent en contact avec ces dernières, forment un filet résistant et d'un aspect plaisant, constitué par des fibres croisées.
On comprendra qu'il est parfaitement 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 différentes ou par intermittence, ce qui permet d'obtenir des types de filets très variés. De plus, l'espacement entre les orifices dans l'une ou l'autre filière peut également être varié, ce qui permet de fabriquer des filets de modèles extrêmement divers.
Sur la fig. 2, les fibres extrudées 15 sont montrées comme étant éjectées de la filière intérieure ll tandis que les fibres extrudées 16 proviennent de la filière extérieure 13. Comme ces filières tournent dans des sens opposés, les fibres extrudées de chaque filière suivent des parcours formant un angle avec les parcours des fibres de l'autre filière, et lorsque les deux séries de fibres viennent en contact les unes avec les autres sur un gabarit 17, elles prennent les positions nécessaires pour former un filet cylindrique de fibres croisées. Comme ces fibres sont encore chaudes de leur extrusion, elles se lient efficacement les unes aux autres à leurs points de contact, et le filet terminé peut être retiré du gabarit 17.
Après que le filet 18 a passé sur le gabarit 17, on peut le soumettre à d'autres traitements, comme on voit sur la fig. 3, en le faisant passer dans un bain chauffé 19 et sur un mandrin 20. Le filet est étiré pendant qu'on le tire sur le mandrin 20 par application de la tension à l'extrémité du filet, en faisant rouler le filet entre deux rouleaux 21 à une vitesse plus élevée que sa vitesse de passage dans le bain. Cette action d'étirage a pour effet d'étirer le filet aussi bien radialement qu'axialement, et les fibres individuelles du filet sont ainsi orientées et renforcées. En variante, le filet pourrait être seulement étiré dans le sens axial sans utiliser de mandrin, mais dans ce cas le filet aurait tendance à se recroqueviller. Un anneau 22, représenté en section transversale, qui entoure le filet avant son passage sur le mandrin 20, est disposé à proximité du mandrin.
Le diamètre de cet anneau et la distance à laquelle il est placé du mandrin déterminent l'angle 23 auquel le filet va être tiré par rapport à la verticale, et cet angle, à son tour, détermine le taux et le sens de l'étirage. On effectue un ajustage minutieux de cet angle pour obtenir le maximum d'orientation. Le diamètre intérieur de l'anneau 22 doit être à peu près égal au diamètre extérieur du filet cylindrique au moment de son entrée dans le bain 19.
Pour obtenir une bonne orientation, on peut étirer le polyéthylène de faible densité jusqu'à environ 500 à 550 % de sa longueur initiale, tandis que le polyéthylène de densité élevée est étirable jusqu'à environ 1000 % de sa longueur initiale. La dimension de l'anneau 22 et la dimension de l'emplacement du mandrin 20 doivent être tels que l'angle 23 soit d'environ 450. En général, plus l'étirage est poussé, plus le filet obtenu sera résistant.
Pour la préparation d'un filet orienté et cristallisé à partir d'un polymère thermoplastique, il est préférable de faire subir aux fibres polymères un traitement additionnel après leur liaison les unes aux autres. Les fibres extrudées, après avoir été initialement extrudées et ensuite soudainement refroidies, sont dans un état amorphe. Les fibres amorphes sont cassantes et ont une faible résistance à la traction.
On n'observe pas de cristallinité notable quand on les soumet à une analyse par diffraction aux rayons
X, ou lorsqu'on mesure leur densité. Les fibres ne peuvent pas être facilement tirées à température ambiante et ne subissent qu'une faible contraction quand on leur permet de se relâcher et qu'on les soumet à des températures élevées.
On peut transformer les fibres amorphes en fibres tenaces et fortement contractiles, en les chauffant et en les étirant et orientant suivant deux axes et dans une gamme de températures supérieure à la tempéra ture de transition du second ordre, mais cependant inférieure à la température à laquelle le polymère tend à s'amincir sans orientation moléculaire appréciable, c'est-à-dire à des températures 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 dérivée première d'une quantité thermodynamique primaire par rapport à la température, 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 polymère et de la température de limite élastique.
Certaines des propriétés thermodynamiques pouvant être observées pour la détermination du point de transition du second ordre sont: le volume spécifique, la chaleur spécifique, la densité, l'indice de réfraction et le module d'élasticité.
Comme chaque composition du polymère et chaque taux de chauffage peuvent influer sur la température de transition du second ordre qui a été observée, on peut facilement déterminer la température et le taux de chauffage permettant d'obtenir une orientation optimum par de simples essais empiriques.
I1 est préférable que pendant la phase d'orientation le filet suive un parcours descendant, pour permettre un chauffage et un étirage uniformes, bien que d'autres mouvements directionnels, tels que le mouvement horizontal ou angulaire, puissent se traduire par l'obtention du résultat désiré. I1 reste entendu que l'orientation du filet peut être assurée au cours d'une opération autonome, pouvant éventuelle- ment être combinée avec l'extrusion proprement dite du filet et son passage sur le gabarit.
Le filet orienté de polyéthylène, ayant été obtenu par le procédé décrit ci-dessus et ensuite orienté à des températures voisines de la température de transition du second ordre, est limpide, transparent, tenace et contractile. I1 est également susceptible d'être scellé à chaud. Un filet de poly méta-xylylène adipamide à orientation bi-axiale peut également être orienté à une température supérieure à la température de transition du second ordre, qui est d'environ 680 C, pour obtenir un filet limpide et tenace.
Les filets orientés et contractiles conviennent admirablement lorsqu'il s'agit d'ajuster une peau de façon serrée autour d'un article de forme irrégulière.
L'objet à empaqueter peut être 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 étroitement le contenu du paquet.
Un filet de polyéthylène ayant été extrudé, biaxialement étiré et orienté conformément au procédé susvisé, se contracte presque instantanément lorsqu'on le plonge dans l'eau chaude à une température supérieure à 520 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 transition de second ordre mais inférieure à la température à laquelle la fibre commence à perdre son orientation moléculaire et se cristallise sous tension. Ce procédé va maintenant être décrit en détail.
Lorsque le polyéthylène fondu extrudé sous forme de fibres est rapidement refroidi à la température ambiante, on obtient des fibres amorphes qui ne présentent qu'une très faible tendance à la cristallisation pendant de longues périodes. Le filet amorphe, après avoir été chauffé approximativement à sa température de transition du second ordre, se ramollit facilement et passe 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 atteint environ 1800 C. A des températures supérieures à 1800 C environ, le taux de cristallisation tend à décroître.
A des températures encore plus élevées, c'est-à-dire au voisinage du point de fusion, le filet commence à perdre une partie de l'orientation moléculaire qui lui avait été impartie aux plus basses températures.
Comme il a déjà été dit, on procède à la stabilisation thermique du fil orienté en le chauffant dans un bain comme celui de la fig. 3, tout en le faisant passer sur un mandrin 20, sauf que le filet n'est pas étiré mais simplement maintenu à son diamètre. On n'applique la chaleur au filet que pendant qu'il est maintenu à son diamètre par le mandrin, car autrement il se contracterait 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 1200 C ou même plus hautes selon le 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.
On peut également obtenir des structures similaires à celles réalisées par l'extrusion au fondu et le refroidissement ultérieur de la matière plastique en utilisant de la viscose, une solution de cuprammonium, ou des liquides coagulables similaires extrudés dans un appareil comme celui qui vient d'être décrit, directement dans le bain de coagulation.
Par exemple, la viscose ayant une composition et un indice salin normalement utilisés pour la fabrication de la rayonne, peut être pompée dans la filière et continuellement extrudée par de petits trous dans un bain de filage de la rayonne contenant environ, en poids, 10 parties d'acide sulfurique, environ 18 parties de sulfate de sodium et 72 parties d'eau. De petites quantités d'autres agents couramment utilisés, par exemple 2 parties de glucose et/ou 1 partie de sulfate de zinc, peuvent être ajoutées au bain, et l'on obtient ainsi des filaments ayant une section transversale sensiblement plus grande que celle du plus gros fil de rayonne que l'on peut produire dans l'industrie. Des quantités substantielles de sulfate d'ammonium peuvent également être ajoutées au bain de coagulation.
Les structures en forme de filet sortant de la filière peuvent être étirées à des vitesses sensiblement supérieures à celles auxquelles les jets de viscose sortent de la filière, si bien que la structure obtenue peut être davantage détendue et présenter une plus grande résistance.
Une autre mise en oeuvre du procédé se prête admirablement à la production de filets à plusieurs couches. Les fibres polymères sont extrudées comme il a été dit, sauf qu'on produit plusieurs couches cylindriques et concentriques au lieu des deux couches précédentes. Les filets cylindriques et concentriques sont formés de fibres disposées en cercles de beaucoup plus petits diamètres que ceux précédemment décrits, et on peut tirer tous les filets individuels ensemble à travers une bague de façon que les filets se présentent sous forme d'un câble ou d'une corde résistante de matière polymère. Le tout peut être ensuite orienté et stabilisé thermiquement comme il a été décrit, sauf qu'on n'utilise pas de mandrin à l'intérieur des filets.
Sur la fig. 4, des filets cylindriques individuels 30, 31 et 32 sont extrudés des filières 34, 35 et 36 respectivement et passent sur des bagues 38, 39 et 40 respectivement, qui sont reliées aux filières comme précédemment. Après la jonction des différents filets, on peut les étirer pour qu'ils se présentent sous forme d'une corde résistante à couches composites.
Une matière extrudable et génératrice de monofilaments peut être utilisée dans le procédé décrit.
Parmi ces matières on peut mentionner:
le polyéthylène;
le polypropylène; le nylon
le téréphtalate de polyéthylène
des résines de vinylidène et leurs copolymères
les copolymères d'éthylène et d'autres oléfines
le polyacrylonitrile et ses copolymères
le chlorure de vinyle et ses copolymères;
l'acétate de vinyle et ses copolymères
le polystyrène.
Le filet obtenu grâce au procédé décrit se prête facilement à un grand nombre d'utilisations. On peut l'utiliser dans sa forme cylindrique pour recouvrir des articles tels que des bouteilles. Le cylindre peut être fendu pour former une pièce plate que l'on peut découper alors à la forme et aux dimensions désirées.
REVENDICATIONS
I. Procédé de fabrication d'un filet thermoplastique extrudé, caractérisé en ce qu'on extrude une première série de fibres thermoplastiques, individuelles et parallèles, agencées en un cercle, qu'on extrude une seconde série de fibres thermoplastiques, individuelles et parallèles, agencées en un cercle qui est concentrique au premier cercle de fibres extrudées, et qu'on dirige les séries respectives des fibres le long de parcours qui se coupent.