Brevet FR2000406A1 — publié le 19690905

-1- La présente invention concerne des ballons aéronautiques. Plus particulièrement, l'invention a trait à l'utilisation de pellicules de matière plastique, ayant des propriétés et des caractéristiques notablement améliorées, dans la fabrication de 5 ballons aéronautiques. L'utilisation de ballons aéronautiques a été et continue d'être un moyen fondamental'et peu coûteux par lequel des chercheurs ' d' entreprises privées de même que des chercheurs des forces armées recueillent des données destinées à l'étude de cou-10 rants de l'air à haute altitude et accumulent des informations biologiques, électroniques et astronomiques aux altitudes élevées. Plus récemment, des ballons ont été largement utilisés dans l'étude et la mise au point de systèmes de parachutes de rentrée dans l'atmosphère en provenant de l'espace et de ballons-parachu-15 tes; il s'agit de dispositifs géométriques de décélération. Jusqu'à présent, les pellicules utilisées pour fabriquer ces ballons ont été choisies typiquement parmi des matières telles que les polyéthylènes et polyuréthannes soufflés, les pellicules de polyéthylène renforcées avec des fibres de "Dacron", 20 etc. Ces pellicules disponibles dans le commerce sont normalement toutes des pellicules soufflées, et constituent généralement des pellicules à paroi mince mesurant environ 0,0508 mm d'épaisseur. Gomme le montre la figure unique du dessin annexé 5 dans la fabrication de ballons aéronautiques X à partir de ces matières, 25 de grandes feuilles de pellicule sont découpées en plusieurs pièces de dimensions généralement égales appelées "fuseaux" Y. Ces fuseaux sont ensuite assemblés par des joints thermiques Z pour former une structure de ballon. ' On a observé que les points auxquels ces fuseaux sont soudés 30 à la chaleur semblent constituer les points faibles de ces ballons. Un moyen utilisé pour pallier cette faiblesse apparente a consisté à se servir d'une bande d'un ruban de pellicule de matière plastique renforcée par du verre, au niveau des joints thermiques. D'une façon générales ce ruban de renforcement est 55 formé de deux morceaux de pellicule de matière plastique mince ayant"une épaisseur d'environ 0,0508 mm, qu'on utilise ensuite pour former une structure de joint thermique en "sandwich" renfermant plusieurs cordons de filaments de verre de diamètre'relativement grand. 69 00836 -2- 2000406 Les "ballons fabriqués avec ces rubans de pellicule de matière plastique renforcée sont généralement aptes à supporter leurs capacités de charge nominales, lorsque les ballons sont entièrement gonflés et se sont élevés à une altitude d'environ 40.000 5 à 4-5.000 mètres. Dans ces conditions, on s'attend à ce qu'un effort négligeable soit exercé sur les joints thermiques qui réunissent les fuseaux. Toutefois, avant que le ballon ne soit entièrement gonflé, il prend une configuration allongée ou en lame, qui rend difficile de déterminer et d'estimer les efforts agis-10 sant sur les joints thermiques à ce moment là, mais on suppose que ces efforts sont très grands. Néanmoins, tout se passe comme si de grands efforts locaux étaient exercés principalement pendant le gonflage du ballon avant son lancement, et plus tard, lorsque le ballon entièrement gonflé rencontre des vents à gran-' Les efforts et les besoins actuels sont tournés vers l'utilisation de ballons aéronautiques capables d'élever des charges plus grandes et plus pesantes à des altitudes plus grandes. Ces besoins exigent d'utiliser, pour la fabrication des ballons, des matières 30 qui montrent et possèdent une durabilité encore plus grande à des températures plus basses, un plus grand rendement mécanique et une plus grande sûreté de comportement ainsi que des joints thermiques résistants et durables. Ces ballons sont généralement des ballons de grandes dimensions ayant une capacité d'environ 560 à 35 728 m^, devant être fabriqués de préférence à partir de pellicules de matière plastique ayant une simple paroi d'une épaisseur d'environ 0,0127 à 0,0254 mm et qui peuvent s'élever à des altitudes de plus de 40.000 mètres, où-ils rencontrent line forte turbulence d'air et de tx*ès basses températures « 69 00836 -3- 2000406 Par conséquent, pour être effectives et efficaces relativement aux buts auxquels elles sont destinées, les pellicules de matière plastique utilisées pour fabriquer ces ballons doivent montrer et posséder une résistance à la traction d'au moins envi-5 ron 23,8 kg/cm pour une épaisseur de paroi unique n'excédant pas environ 0,0508 mm, une bonne résistance à basse température et une aptitude durable à résister aux charges et à l'action de fouettement pendant les lancements à basses températures, ainsi qu'aux efforts rencontrés lors de l'ascension à travers des cou-10 rants d'air à grande vitesse, à hautes altitudes, une faible perméabilité aux gaz, une faible absorption des rayons infrarouges, de manière à réduire au minimum, ou à éliminer tous les problèmes qui pourraient résulter de la déperdition de chaleur, et par conséquent, de la perte de puissance ascensionnelle pendant les vols 15 du lever au coucher du soleil, elles doivent en outre être faciles à mettre en oeuvre pour fabriquer les ballons, elles doivent permettre des soudages à la chaleur faciles à appliquer et donnant des joints corrects et sûrs, et elles doivent être de faible prix. Ces pellicules doivent aussi posséder, de préférence, une résis-20 tance à la traction suffisamment grande pour qu'elles puissent supporter de fortes .charges sans déformation indésirable, et elles doivent être très stables ou durables aux basses températures, de manière qu'elles ne montrent pas de défaillances par rupture ou par formation de fissures dues à la fragilité lorsqu'elles trans-25 portent de lourdes charges à de grandes altitudes et lorsqu'elles rencontrent de basses températures aux altitudes élevées. La présente invention a par conséquent pour but d'offrir un ballon aéronautique fabriqué à partir d'une pellicule de matière plastique de faible épaisseur, qui peut être facilement JO mise en oeuvre pour fabriquer le ballon et aisément soudée à la chaleur, et qui montre et possède une bonne flexibilité aux basses températures, qui est capable d'élever de fortes charges sans cassure, rupture ni déformation, et qui peut aisément résister à des forces de cisaillement excessives aux hautes altitudes. 35 Par conséquent, la présente invention offre un ballon aéro nautique formé de plusieurs morceaux de pellicule polyoléfinique, soudés les uns aux autres, cette pellicule polyoléfinique ayant subi une orientation biaxiale dans la direction de la machine et dans la direction transversale à un ordre de grandeur d'au moins 69 00836 2000406 300 % et ayant été obtenue à partir d'une résine polyoléfinique ayant dans la décaline à i30°C une viscosité intrinsèque d'au moins 1,2, cette résine polyoléfinique étant soit un homopolymère d'éthylène, soit un copolymère dfau moins 50 % en poids d'éthylè-5 ne, la pellicule polyoléfinique ayant une température de fragilité au froid d'au moins -99°C. la présente invention offre également un procédé de fabrication d'un ballon aéronautique, qui consiste à prévoir une pellicule polyoléfinique obtenue à partir d'un homopolymère d'éthylène iO ou à partir d'un copolymère contenant au moins 50 % en poids d'éthylène, cet homopolymère ou ce copolymère ayant dans la décaline à 130°C une viscosité intrinsèque d'au moins 1,2 et cette pellicule ayant subi une orientation biaxiale dans la direction de la machine et dans la direction transversale à un ordre de 15 grandeur d'au moins 300 %, à découper cette pellicule en plusieurs morceaux de forme prédéterminée, et à souder ces morceaux les uns aux autres le long de leurs bords pour former Tin ballon aéronautique gonflable. La viscosité intrinsèque est mesurée conformément à la mé-20 thode AS'TM D-1601-58Î. Lorsqu'on utilise une résine d'homopoly-mère d'éthylène pour obtenir des pellicules qui montrent une bonne durabilité aux basses températures et qui possèdent des joints thermiques résistants, il est préférable que l'homopolymère d'éthylène ait une densité n'excédant pas environ 0,925. 25 Les résines polyoléfiniques de la présente invention peuvent contenir également un ou plusieurs autres composés organiques co-polymérisables avec elles, qui contiennent de la non-saturation génératrice de polymères comme en présentent par exemple les composés contenant la double liaison éthylénique C=C ; ce sont, par 30 exemple, l'acétate de vinyle, l'acrylate de méthyle, l'acide acrylique, l'acrylate d'éthyle, le néohexène, ou l'acide méthacryli-que, ou le propylène, de même que d'autres composés bien connus des spécialistes dans ce domaine. On peut aussi incorporer dans les résines polyoléfiniques 35 de l'invention les quantités usuelles d'agents stabilisants et de lubrifiants bien connus, ainsi que d'autres additifs, tels que des colorants et des agents tensio-actifs, pourvu qu'ils n'exercent pas d'effet nuisible sur les propriétés et les- caractéristiques désirées et devant être obtenues dans la pellicule poly— 69 00836 -5- 2000406 oléfinique utilisée ensuite pour la fabrication du ballon. Les pellicules tubulaires à partir desquelles des ballons aéronautiques peuvent être ensuite fabriqués s'extrudent facilement à partir de formulations de résines polyoléfiniques confor-5 mément à tout procédé classique de mélange à sec et d'extrusion, et elles subissent une orientation moléculaire au moyen de procédés et de techniques bien connus des spécialistes. Se préférence, le procédé de double bulle est utilisé pour produire ces pellicules d'orientation biaxiale. Dans ce procédé, un tube primaire est 10 tout d'abord formé par extrusion à l'état fondu au moyen d'une filière, gonflé par admission d'air, étiré à une température supérieure à son point de fusion, refroidi puis dégonflé. A ce stade, le tube dégonflé est appelé en pratique "tube soufflé". Il est ensuite regonflé pour y former une bulle isolée, et le tube re-15 gonflé est avancé à travers une zone de chauffage pour échauffer la pellicule à sa température d'étirage. Dans la zone d'étirage ou d'expansion, la pellicule subit une expansion radiale tant dans la direction transversale que dans la direction de la machine à une température inférieure au point de fusion de la pellicu-20 le, de sorte que l'orientation se produit dans les deux directions, l'expansion du tube s'accompagnant d'une réduction brusque et nette de son épaisseur au point d'étirage» Pour obtenir les pellicules appropriées aux fins de l'invention, le tube regonflé doit être soumis à un étirage d'au ïïioins 300 % dans la direction 25 de la machine et la direction transversale. La température d'étirage préférée est inférieure de 8,2 à 27,5°C à la température de fusion à l'état cristallin de la résine. Le degré de biorienta-tion qui peut être conféré à la pellicule peut être facilement réglé en jouant sur la température à laquelle la pellicule est 30 soumise pendant son orientation biaxiale. A titre de variante, on peut utiliser les procédés d'élargissement bien connus en vue de la biorientation des pellicules obtenues sous la forme de feuilles. , Conformément aux procédés et â l'appareil qui sont tous fa-35 miliers aux spécialistes en ce domaine, les pellicules polyoléfi-niques-à orientation "biaxiale conformes à l'invention .peuvent aussi être soumises à des opérations de recuit, ce qui rend la pellicule capable d'être entièrement fusible. Bien que le recuit de pellicules à orientation biaxiale ne soit pas critique pour 69 00836 2000406 -6- obtenir les propriétés et les caractéristiques désirées et requises dans ces pellicules à orientation biaxiale, on a trouvé qu'il aide à réduire davantage ou à éliminer sensiblement la tendance de la pellicule à se plisser pendant le soudage à la chaleur. 5 Les pellicules de la présente invention sont en outre illus trées par les Exemples suivants, qui sont donnés à titre explicatif, mais nullement limitatif. EXEMPLE 1 Plusieurs pellicules ont été éprouvées et estimées relative-10 ment à leur utilisation en tant que pellicules pour ballons aéronautiques. Les résultats de ces essais et de ces estimations sont donnés au Tableau I ci-dessous sur lequel les pellicules sont désignées par les lettres A à F inclusivement. Les pellicules A à î ont été obtenues à partir de résines d5homopolymère d'éthylène. 15 Les pellicules A, G, D et F ont subi une orientation biaxiale à un degré d'au moins 300 % dans la direction de fabrication et dais la direction transversale. Les pellicules B et E étaient des pellicules soufflées, c'est-à-dire étirées mais non orientées, ayant un grand rapport de soufflage, c'est-à-dire le rapport de la lar-20 geur à plat de la pellicule soufflée au diamètre de la filière de l'appareil d8extrusion à travers laquelle la pellicule a été extradée. Le rapport de soufflage des pellicules B et E était pour chacune d'au Moins 6,5^1» Les résistances à la traction des pellicules à diverses tempéra-cures ont été déterminées- conformément 25 aar méijîiodes ASTM identifiées dans le Tableau, bien que les valeurs concernant la "température de fragilité à froid" aient été déterminées conformément à la norme IIIL-P-4640A (USAF). La méthode d'essai i:iL-P-4640A (USAF) est exécutée au moyen d'un appareil comprenant essentiellement un plan incliné équipé d'une piste, le 30 long duquel on fait descendre en roulant une bille d'acier de densité et de poids connus. L?extrémité du plan incliné est munie d'un tambour sur lequel un échantillon de la pellicule est fixé. La température à laquelle les échantillons de pellicule sont soumis à l'essai, ainsi que celles des constituants de l'appareil, 35 sont toutes soumises à une régulation et à un réglage sévères. La tesroérature de fragilité à froid des échantillons de pellicule est choisie comme étant la température à laquelle la rupture de la pellicule par la "bille df acier cesse de pouvoir être interprétée comme une déchirure de ductilité et peut être considérée, au 40 contraire, comme étant un éclatement» TABLEAU_I PELLICULES A B C D E F Propriétés Epaisseur des pellicules (mm) 0,0254 0,0190 0,0203 0,0127 0,0381 0,0254 des résines et des pellicules Densité de la résine 0,9175 0,9160 0,9193 0,96 0,9160 0,9167 Viscosité intrinsèque de la résine (dans la décaline à 130°C) 1,3 1,2 1,3 2,9 1,2 1,3 Température ambiante SM 525 245 735 728 246,4 749 Résistance ASTM 822-54T Léthode A ST 805 245 903 1463 265,3 763 à la -50°C SU — _ T- — 1347 traction ASTla 882-64 ST -- — — — 1645,3 des on Ëk 927,5 490 __ — — 1603 pellicules ASTiW 882-64 ST 1470 525 — — 1995 -70°C. SM 934,5 934,5 1400 1169 506,8 ASTÏvî 882-64 ST 1575 1575 1981 2583 415,8 Temp 6 rature amb i ant e SI! —— —. 721 2002 A3Tr.I 882-64 module sécante 10 % ST — — 714 1939 Fragilité à froid, température de la pellicule ÏIIL 4640A (USAF) en dessous de -i50°C Eclate à -80° Ductile C à -74°C Ductile à -70°C Eclate à -70°C en dessous de -99°C 69 00836 -8- 2000406 Il ressort des résultats donnés au Tableau I ci-dessus que la résistance à la traction des pellicules d'orientation "biaxiale (A, C, D et E1) a été constamment bonne aux basses températures. Parmi les pellicules à orientation biaxiale, les pellicules A et 5 F ont montré des propriétés de résistance à la traction notablement meilleures aux basses températures. Comme le montre le Tableau I, les températures exceptionnelles de fragilité à froid, montrées par les pellicules A, C, D et !, revêtent la plus haute importance; ces pellicules ont subi 10 chacune une orientation biaxiale à un ordre de grandeur supérieur à 300 % dans la direction de fabrication et dans la direction transversale. Bien qu'on ne désire pas se limiter par des théories quelconques, on suppose que l'orientation biaxiale des pellicules à 15 un degré supérieur à 300 % dans la direction de fabrication et dans la direction transversale, liée à des densités relativement basses et des viscosités intrinsèques relativement fortes des résines, entraîne l'obtention des propriétés des pellicules fioly-oléfiniques qui les rendent particulièrement utiles pour la fabri-20 cation de ballons aéronautiques. Comme le montre le Tableau I, les pellicules A et F présentent les meilleurs résultats, ce qui peut être attribué aux densités relativement basses et aux viscosités intrinsèques relativement fortes des résines à partir desquelles ces pellicules ont 25 été obtenues. Toutefois, il y a lieu de remarquer que les pellicules C et D ont montré une bonne résistance à la traction aux basses températures et un comportement de fragilité au froid acceptable, bien qu'elles aient été obtenues à partir d'une résine ayant une densité relativement forte; par exemple à -74°G et 30 -70°C, respectivement, elles étaient encore ductiles et sont devenues cassantes en dessous de -99°C. ."FXFiTvIPIIE 2 Une propriété importante que les pellicules de la présente invention doivent montrer en vue de leur utilisation en tant que 35 ballons aéronautiques réside dans leur flexibilité aux basses températures. Pour déterminer cette propriété, diverses pellicules ont été enroulées en un rouleau non serré, puis plongées dans de l'azote liquide (-196°C) pendant 30 secondes environ. Les pellicules ont ensuite été retirées de l'azote liquide et soumises 69 00836 -9- 2000406 à une flexion sévère à la main. Les résultats de ces essais, comme déterminé par l'examen visuel des pellicules après flexion, sont donnés au Tableau II. Sur le Tableau II, les pellicules désignées par les lettres A et F étaient les mêmes que celles de 5 l'Exemple 1 ci-dessus, la pellicule G a été obtenue à partir d'un copolymère d'éthylène et d'acétate de vinyle contenant 28 % en poids d'acétate de vinyle incorporé par copolymérisation, la pellicule désignée par la lettre H consistait en éthylène bi-orienté obtenu dans le commerce, copolymérisé avec un copolymère 10 de propylène, et les pellicules I et J étaient des polyéthylènes non orientés soufflés, disponibles dans le'commerce, ayant chacun un rapport de soufflage de 6,8:1 environ. Propriétés do la résine Propristéa dos pellicules TABLEAU II PELLICULES Densité A 0;,91?5 G H Viscosité intrinsèque (dans la décaline à 130°0) 0,9167 0V9499 1.3 'i * 1,46 à -i 48 '0,910 ,75 *,79 2,75 à 0,9193 0,9189 1,5 1,23 0,9105 0,9"'74 0,955 0,910 0,9197 0,9185 Ep ais s eur'(mm) 0,0254 090254 0,0305 à 0,0254 0,0254 0,0254 0,0381 Etat do la pellicule après flexion à froid In;acte Intacte Intacte Intacte Eclate Eclate facile- facilement mont O sO o o 00 u> o I -A 0 1 Ki o o o o o I ftno,t 2000406 69 00836 11 Comme le montrent les résultats donnés au Tableau II ci-dessus, toutes les pellicules qui satisfont aux critères des pellicules de l'invention (Pellicules A, F, G et H) sont restées intactes. Bien que les pellicules I et J possèdent les mêmes 5 propriétés, en tant que résines et en tant que pellicules, que les autres pellicules et les autres résines, elles n'ont pas résisté à la flexion à froid. EXEMPLE 5 Afin d'illustrer le caractère critique de la valeur minimale 10 de viscosité intrinsèque d'au moins 1,2 pour les résines à partir desquelles les pellicules de polyoléf ine's biorientées de l'invention ont été obtenues, on a exécuté l'essai suivant : Deux pellicules de polyéthylène biorienté, de.faible densité, à savoir la pellicule K et la pellicule i, ont été enroulées cha-15 cuae en un rouleau non serré, plongées dans de l'azote liquide (-196°G) pendant environ 30 secondes, et retirées immédiatement après de l'azote liquide, puis soumises à un essai de flexion sévère à la main. les résultats de cet essai sont donnés au Tableau III ci-dessous, ainsi que les propriétés des résines et des pelli-20 cules. Bien que les pellicules K et I possèdent des propriétés semblables, la pellicule L, obtenue à- partir d'une résine de viscosité intrinsèque inférieure à 1,2, n'a pas résisté à la flexion à froid. TABLEAU_III xŒSISTANCff A LA FLEXION DE DIVERSES PELLICULES A DES TEi,iPEiL',.TUHES PS CRYOGENE DE -196°C Propriétés de la résine Viscosité intrinsèque (dans la Indice d'écoulement à Propriétés des pellicules Etat de la pellicule Pellicule iï° Type de pellicule decaline à 130°C) Densité 1'état fondu Densité Epaisseur (mm) après flexion à froid K Polyithylcno bi-orienté, de faible densité Aucun additif 1,2 0,9152 0,27-0,39 0,9174 0,0444 à 0,0508 Intacte L Polyétliylcne bi-orienté, de faible densité, Aucun additif 1,1 0,920 1,7-2,4 0,9206 0,0444 à 0,0508 Eclato facilement Os «O o o œ ou o> i .a ro i N> O O O .t* o o» \ ■% 69 00836 -13- 2000406 BEVENDICATIONS 1 « Ballon aéronautique formé de plusieurs morceaux de pellicule polyoléfinique soudés les uns aux autres, caractérisé par le fait que la pellicule polyoléfinique a subi une orientation bi-5 axiale dans la direction de fabrication et dans la direction transversale à un de^ré d'au moins 30G % et a été obtenue à partir d'une résine polyoléfinique ayant dans la décaline à 130°G une viscosité intrinsèque d'au moins 1,2, cette résine polyoléfinique étant soit un homopolymère d'éthylène, soit un copolymère 10 d'au moins 50 % en poids d'éthylène, la pellicule polyoléfinique ayant une température de fragilité à froid égale ou inférieure à -99°C. 2. Ballon suivant la Revendication 1, caractérisé par le fait que le copolymère est un copolymère (a) d'éthylène et (b) 15 d'acétate de vinyle, d'acrylate de méthyle, d'acide acz*yliquo, d'acrylate d'éthyle, de néohexène, d'acide méthacrvlique ou de propylène. 3. Procédé de fabrication d'un ballon aéronautique, qui consiste à prévoir une pellicule polyoléfinique obtenue à partir 20 d'un homopolymère d'éthylène ou d'un copolynère conteront au moins 50 % en poids d'éthylène, cet homopolymère ou ce copolymère ayant dans la décaline à '130°G une viscosité intrinsèque d'au moins 1,2, cette oelliculG ayant subi une orientation biaxiale dans la direction de fabrication et dons la direction transvorsa— 25 le à un degré d'au moins 300 ; à découper la pellicule en plusieurs morceaux de forme prédéterminée, puis à souder les morceaux ensemble le long de leurs bords pour forcer .un ballon aéronautique gonflable. • 4. Procédé suivant le. Revendication 35 caractérisé par le 30 fait que la pellicule polyoléfinique a une température de fragilité à froid égale ou inférieure à -99°C. 5- Procédé suivant, la Revendication 3. ou caractérisé par le fait que* 1. copolymère -.;st un oopoly"i::ee (a) d'éthylèno et (b) d'acétp-t; vinyle, d'acrylate de uiéthyle, dJ a c i 0.0 acryli-35 que, d'acrylst.; d'éthyle, d*.: néohexène, d'noid? '-if th:-ci'.--'lique ou de propylène. 6. Procédé suivant la Hevendicat.i en 3 ou -, caractérisé par le fait que 1 'homopolymère d'éthylène p une d; nsit' r.wi r'élcv.? jusqu'à 0,925.