Brevet FR2019934A1 — publié le 19700710

La présente invention est relative wà un procédé d'orientation de pellicule tubulaire en polypropylène. On extrude fréquemment de la pellicule en polypropylène sous forme tubulaire et on 11 oriente de façon biaxiale alors qu'elle est toujours ss så--forme ktubulaire. On effectue l'orientation par sampis étirage longitudinal de la structure tubulaire, combiné avec ltexpansion du tube-sous;l t effet d'une pressidninterne On: peut mettre en o'euvrece type d'orientation avec l'appareillage du type général décrit dans le brevet des Etats-Unis d'métrique N 3 231 642.Dans un tel appareillage on étire la structure tubulaire le long diun élément chauffant, pour faire monter sa température, de façon à ce qu'elle se situe entre les limites correspondantes à la température d'orientation. Peu après son passage sur l'élément chauffant, après avoir atteint la température d'orientation, le tube est expansé en y insufflant de l-'air. D'habitude, on fait passer un courant d'air sur la surface externe du tube pour améliorer l'uniformité de l'épaisseur de la paroi et pour donner un étirage requis selon la courbe de refroidissement. quand le tube a atteint un diamètre correspondant à son expansion maximum, la pellicule est refroidie par passage du tube expansé à travers un manchon refroidissant. Bien que ce procédé procure une orientation satisfaisante de la pellicule, on rencontre plusieurs difficultés dans son application industrielle. Par exemple, l'orientation dégrade souvent les qualités optiques dela pellicule et donne un produit qui fait preuve, à un degré sensible de contraction à chaud après orientation. On a, pour cette raison, procédé à des essais continuels pour tenter d'améliorer la clarté et de réduire la contraction des pellicules en polypropylène préparées et orientées par un procédé utilisant la forme tubulaire. La présente invention est relative à un procédé d'orientation de pellicules tubulaires en polypropylène qui permet de réduire à un minimum les dommages causés aux propriétés optiques de la pellicule et qui donne une pellicule présentant une contraction combinée dans la direction machine et dans la direction transversale inférieure à 5%. De façon spécifique, la présente invention a pour objet un procédé amélioré d'orientation d'une pellicule tubulaire en polypropylène par chauffage de la pellicule à une température comprise dans les limites de températures d'orientation par étirage biaxal de la pellicule par expansion radiale et extension linéaire du tube et par refroidisse- mentdela pellicule au moment où le tube a atteint son expansion maximale, caractérisé en ce que -(a) on limite la cloute de tempér.ture de la pellicule à une valeur maximaIe de 15 C depuis le point initial de l'expansion radiale jusqu'au point où le tube atteint son diamètre maximum dnexpansion et (b) on lîmitela tension circulaire qui se développe dans la pel licule-en forme de bulle à une valeur maximale de 225 kg /cm avant refroidisserle nt Les figures 1 et 2 sont des illustrations schématiques de deux types spécifiques de l'appareillage qu'on peut utiliser dans le procédé suivant la présente invention. La figure @ illustre une courbe de tempé ratures représentative lors ae la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention,ces températures étant prises le long de divers points du tube en expansion. il est connu dans la technique qu'il est possible d'obtenir une contraction minimale d'une pellicule en Lolypropylènes orientée de façon biaxiale par étirage simul tané et uniforme de la pellicule suivant les directions mutuel lement perpendiculaires dans des conditions iscthermes. Bien qu'on ait procédé à des essais pour modifier le procédé d'ori entation d'une pellicule tubulaire en polypropylène pour ob tenir un étirage a peu près simultané suivant la direction ma chine et la direction transversale, les conditions se sont ré -vélées industriellement impratiquables.On a trouvé, que dans les procédés habituels dsorlentation tubulaire, l'orientatzon suivant la direction machine et suivent la direction transver sale -sont dans une certaine mesure séquentielles en ce sens que le degré désiré d'étirage dans la direction machine est en gé neral réalisés avant que la moitié du degré souil & té d'étirage dans la direction tr?nsve-rsale ait été obtenue Là présente invention repose sur la décou verte d'autres facteurs qui contribuent à la contraction de la pellicule orientée.De façon spécifique, on a découvert que la contraction de la pellicule orientée varie, dans une certai ne mesure, de façon inversément proportionnelle à la températu re àlaquelle la pellicule est orientée, et que la contraction de la pellicule orientée s'accroît avec des chutes de températures plus inportantes an cours du processus d'orientation Un autre facteur encore ,qu'on a trouvé être critique à propos de la contraction de la pellicule orientée,est la variation de la contraction finale en relation directe avec la tension circulaire développée dans la paroi de la bulle au cours de 120 rientation ç Gna trouvé qu'en agissant de fanon appro > riée sur ces facteurs additionnels il est possible de maintenir à une valeur inférieure à 25 % la contraction d'une pellicule o- fientée en polypropylène niveau qu'il n'était pas possible d'obtenir jusqu'iei par l'emploi d'un procédé industriel d'orientation d'une pellicule sous forme tubulaire L'expression "contraction" telle qu'on l'utilise ici correspond au pourcenw tage total de contraction obtenu en additionnant les contractions suivant la direction machine et la direction transversale de la ellicule exposée à une température de 130 C pendant une mi nute Comme on l'indique plus haut, un des facteurs critiques pour atteindre la contraction minimale de la pellicule orientée est la possibilité de maintenir la tempéra- ture de la pellicule au cours de l'orientation à une valeur ne s'écartant pas de plus de 1500 de la température d'origine à laquelle la pellicule a été chauffée lors de l'amorce de l'ori- entation .Ceci est essentiellement opposé aux procédés utilisés dans les techniques antérieures, dans lesquelles la pellicule tubulaire subissait une chute de température supérieure à 2000 entre le début de l'expansion et le point où la pelli- cule atteignait son diamètre maximum d'expansion, simplement pat refrpodossement atmosphérique La chute de température dcns la pellicule souílise à l'orientation était même supérieure dans ceux de ces procédés dans lesquels on faisait circuler des cou- rants d'air de refroidissement autour de la partie externe de la pellicule en expansion, la chute de température atteignant de 30 à 50 C. Suivant la présente invention, on maintient la température oe la pellicule au cours de cette période à une valeur qui ne s écarte as de plus de 150C de la température à laquelle on entame I orientation On peut réaliser ceci à l'aide de n'importe quel appareillage de chauffage convenable. Par exemple, on ueut placer un élément chauffant fixe autour de la pellicule en expansion. Un tel élément chauffant peut être un dispositif de chauffage par rayonnement ou peut etre à chauffage interne obtenu par des résistances électriques on par circulation d'un fluide chaud tel que. de la vapeur ou de l'huile. On a trouvé spécialement commode d'utiliser un serpentin place à proximité immédiate de la partie extérieure du tube, serpentin dans lequel on fait eirculer un flaide à uae température d'envir on 50 à 155 C. On préfère -que la température de la pellicule soit maintenue au-dessus de 13000 en vue d'obtenir une pellicule qui soit stable à la chaleur, dans un domaine étendu d'applications industrielles. Comme z es températures normales auxquelles on chauffe le polypropylène pour l'orienter sont comprisesentre environ 140 et 158 C, la température minimale Jus- qu a laquelle la pellicule en cours d'orientation doit descenare avant d'être refroidie doit aller de 130 à I40C. lie second élément critique du procédé de la présente invention et le fait t de maintenir la tension circu- ladre dont la bulle est le siège à un niveau relativement bas avant de procéder au refroidissement qui suit l'étirage. Ce facteur repose sur la découverte que la contraction de la pellicule orientée décrit avec la diminution de la tension circulaire dont la bulle est le siège, ceci indépendamment de la géométrie de l'orientation.La tension circulaire dont la bulle e & t le siège est en relation avec la pression de l'air renfermé dans la pellicule en expansion aussi bien Cuiavev le diamètre et l'épsiseur de la pellicule, selon la formule suivante:: S Pd 2t daus laquelle s = tenston circluaire B = # pression dans la bulle d = diamètre correspondant à l'expansion mazsirmle t = épaisseur correspondant à l'expansion maxmale lia tension circulaire dont la bulle est le siège dans le procédé de la présente invention doit, pour qu'on atteigne une contraction minimale de la pellicule orientée, être mainteaue en-dessous de 225 kg/cm,la tension etant calculee au moyen de la formale ci-dessus. On comprendra mieux la présente invention, en se reportant aux figures. La figure 1 illustre un appareillage particulier qu'on peut utiliser pour l'orientation de pellicules tubulaires suivant le procédé amélioré de la présente invention. Dans cette figure, la pellicule tubulaire 1 se déplace vers un anneau de guidage 2-, l'anneau servant à minimiser les oscillations du tube Le déplacement du tube est assuré au moyen du dispositif d'avancement 3 et d'un jeu de galets de pin çage 4 tournant à une vitesse qui est au moins 2 fois égale à la vitesse assurée par le dispositif d'avancement. La peilimule passe à travers un premier dispositif 5 de chauffage par rayonnement disposé concentriquement autour de la périphérie de la pellicule tubulaire, et connecté à une source d'énergie qui n'estpas représentée.Le lJremier disposi-tif 5 sert à chauffer la pellicule à une température d'environ-7O 70 de la température la moins élevée du domaine des températures d'orientation jusqu'à une température tout juste inférieure au domaine des températures d'orientation du polymère thermoplastique. La pellicule tubulaire est portée à une température comprise dans le domaine des températures d'orientation, température à laquelle la pellicule commence -à se dilater, au moyen d'un dispositif 6 de chauffage par rayonnement du type crayon placé à l'intérieur et-au centre de la pellicule tubuluire, et monté sur la bague de guidage interne 7.Le dispositif 6 est connecté à une source d'énergie au moyen de fils passant par le conduit 8 vers une source d'énergie, qui n'est pas représelitee, Immédiatement après avoir atteint le domaine de la ttmpérature d'orientation, la pellicule tubulaire commence a se dilater sous l'effet de la pression interne et à selon ger grace aux vitesses relatives des galets 4 et du dispositif d'avancement. 3 De l'air ou un autre milieu gazeux est introduit par la conduite d'entrée 11 et sort par la conduite de sortie 12, de façon à assurer la régulation de la pression à l'in térieur du tube;; Quand il a quitté la proximité immédiate du dispositif interne 6, le tube en expansion est chauffé par l'élément chauffant externé 9s qui maintient la pellicule dans le domaine désiré de température jusqu'à ce qu'elle atteigne son diamètre d'expansion maximale. Quand il a atteint son dia mètre maximal le tube passe à travers l'anneau de refroidissement 10. L'anneau -de refroidissement est en gênerai maintenu à une température d'environ 5 à 1000 par circulation interne d'eau -f-xoide. La figure 2 illustre; une autre forme de réalisation-spéci-fique de l'appareillage pouvant être utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, qui comporte une bague 13, de refroidissement pa-r de l'air, agencée de façon à- ce- qae i-' orifice de la bague soit dirigé vers le plan d'expansion initial.La bague de refroidissement est réglée de façon à améliorer l'uniformité de l'épaisseur de la pellicule , comme on le décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amériq@ue n0 Y 231 642, tout en maintenant la chute de tem- pérature à laqaclie la pellicule en expansion est soumise dans des limites convenables. La figure 3 est un diagramme illustrant le profil de température de- la pellicule au cours du processus d'orientation. La figure supérieure illustre de façon schématique la pellicule au cours de son expansion cependant qu'elle passe consécutivement par le dispositif de chauffage interne 6 et, l'élément chauffant ext-erne 9 ainsi que par l'anneau de refroidissement 10. lie graphique de la partie inférieure de la figure illustre le Lrofi-l- des températures au cours de l'ex- pansion .L'échelle verticale indique la température en degrés centigradesdtune pellicule tubulaire représentative en polypropylène, tandis que l'échelle horizontale correspond directement à la pellicule en expansion illustrée dans la partie su périeure de la figure , de façon å indiquer la température de la pellicule en différents points au cours de son expansion. Le profil des températures d'une pellicule représentative orientée suivant le procédé de la présente invention est inctiqué par la courbe en trait plein C dans la partie inférieure de la figure 3,(où BM signifie bulle maximale et DS signifie distance) tandis qu'un profil de températures représentatif de pellicules orientées suivant des procédés antérieurs est indiqué par la courbe en trait interrompu D. Comme on peut le voir sur la figure, le gradiant A, maximum de température entre le point initial de chauffage correspondant au début du processus d'orientation et le point auquel le tube en expansion atteint son diamètre maximum est de 1500 dans le procédé de la présente invention, tandis que le gradiant B de température excède 2000 dans le procédé classique La présente invention est encore illustrée par les exemples spécifiques suivants EXEMPLE 1 : On extrude et oriente par étirage une pellicule en polypropylène à l'aide d'un appareillage du type illustré sur la figure t.On extrude sous la forme d'un tube, à la vitesse de 17,7 kg/heure, à une température de 195 C une resine de po lypropylène ayant un indice de fusion de 5,5 à 6,5 g par 10 minutes (mesuré par le procédé ASTM D-1235) ayant une densité de 0,905 g/cm3 et un point de fusion (cristallin) de 165 C.On extrude le tube a travers une filière annulaire ayant un diamè- tre de 12,7 c. On refroidit la pellicule par passage du tube sur un mandrin maintenu à une température de 5O. après ce refroidissement initial, le tube a une épaisseur de parsi de 355 microns et se trouve à une température de SOC . On réchauffe le tube au moyen d'un dispositif de chauffage interne à une température cie 14800 et on le dilate pour réaliser ltori- entation de la pellicule par étirage. Le tube en expansion est ceinturé par une bague chauffante ayant un diamètre de 63,5 cm. Cette bague chauffante s'étend le long au tue sur une distance de 54,3 cm et est maintenue à une température de 110 C. On dilate le tube jusqu a ce qu'il atteigne un diamètre de 63,) cm ,la tension circulaire développée dans la bulle atteignant 179,3kg /cm. la chute de température entre le point initial de chauf- fage et le-point où le tube atteint son diamètre maximal est de 9 C. Q@@nd le tube a atteint son diamètre maximal, la pellicule a une @paisseur de 14,5 microns et a été étiré 4976 rois dans la direction machine et 5 fois dans la direction transver- sale.On fait passer le tube à travers un anneau de refroidis se.Slent ayant un diamètre de 63,5 cm et une longueur de 15,2 cm. L'anneau de refroidissement est maintenu à une température de TOC, et le tube dilate quand il quitte l'anneau de re@roidis- sement se trouve à und température de 10 C. La pellicule orientée reifeidie est alors soumises à ces test concernant la contraction en la sommet- tant à une temperature de 130 C pendant 1 minute. La pellicule fait preuve d'une contraction dans la direction machine de 8,4 % et d'une contraction dans la direction transversale de 10,7 Vo, la contraction totale étant de 19,1 . le trouble total de la pellicule orientée est de 2975 0. EXEMPLE 2 à 12 : On répète la façon de procéder de l'exemple 1 en utilisant des résines de polypropylène soumises à des conX ditions variables de travail . On donne dans le tableau I les variables Âe mise en oeuvre et les earactéxistiques du produit résultant lies exemples 2 à 12 illustrent un procédé courant au cours duquel la chute de température de la pellicule et/ou la tension circulaire léveloppés dans la bulle sortent des limites tolérées par le procédé de la présente invention EXEMPLES 13 à 19 o On répète la façon de procéder de l'exemple 1 en utilisant un polypropylène du commerce, qu'en peut se provurer chez Hercules Powder Company sous lappelation de "Profax" P3-533. On extrude le tube de polypropylène fondu à raison de 226,5 kg/heure. On donne dans le tableau II les variables du procédé et les caractéristiques du produit résultant. On peut noter que dans Les exemples , à savoir, les exemples lj, 14 et 19 , où la chute de température re (gradient) et/ou à la tension circulaire développée dans la bulle excèdent les limites du procédé de la présente invention les contractions combinées suivant la direction macie (DM) et la direction transversale (DT) de la pellicule résultante sont supérieures aux 25 Qfo désirés. TABLEAU 1 Exemple Diamètre Epaisseur Bague Rapport Pression Force Chute de temp. Contràotion de la bul. de la pel. chauf- d'étire- dans la centri- de la pelli- % &commat; 130 C 1mn. le lioule fée ge bulle en pète oule C DM DT Total en cm. miorons temp DM x DT mm de Hg kg/cm C Témoin 2 63,5 12,7 55 5x5 7,47 253 15 8,2 17,2 25,4 3 " 12,7 75 " 6,54 221 12 9 13 22 4 " 14,2 90 " 5,6 169 4 6 7,5 13,5 5 " 14,2 110 " 4,66 141 6 6,5 9,0 15,5 6 " 14,2 115 " 3,74 112 4 5,7 8,2 13,9 7 31,8 15,2 61 6x6 13,1 185 9 6,7 12,2 18,9 8 " 15,2 71 " 9,34 132 1 5,0 6,0 11,0 9 " 15,2 71 " 5,6 79 6 2,7 3,7 6,4 10 63,5 15,0 90 5x5 6,06 173 10 9,2 10,8 20,0 11 " 15,0 110 " 6,06 173 10 8,4 10,7 19,1 Témoin12 " 12,7 - " 7,47 253 20 10 20 30 TABLEAU 2 EXEMPLE Conditions d'orientation Rapport d'étirage DM 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 6,0 5,0 Rapport d'étirage DT 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 Pression de la bulle en mm de Hg 2,99 2,43 1,87 1,77 1,59 1,87 3,55 Tension circulaire kg/cm 211 162 134 132 120 147 290 bague chauffée C 30 50 50 70 70 70 80 Bague d'air m/mn 366 305 153 244 274 0 396 Bague d'air C 70 50 50 50 100 - 78 Radiateur externe C 144 144 144 144 144 144 144 Refroidisseur temp. initiale DT, C 148 148 148 148 148 148 148 Gradient de température de la pellicule en C 20 16 11 8 6 7 23 Anneau de refreidissement C 18 18 18 18 18 28 20 Tube coulé Epaisseur moyenne, microns 457 457 457 457 457 432 381 Pellicule erientée Epaisseur moyenne, microns 17,5 18,5 17,3 16,8 16,5 15,7 15,2 Trouble total % 2,4 2,9 3,3 2,4 2,3 4,7 Contraction, % &commat; 130 C/1 minute DM 9,6 8,7 8,7 6,2 7,7 8,2 12,3 DT 20,9 17,7 12,7 11,3 8,5 9,0 20,2 REVENDTCATIONS I.- Procédé d'orientatioei de pellicule tubulaire en polypropylène par chauffage de la pellicule à une température comprise dans le domaine des températures d'orientation, par étirage biaxial de, la pellicule,par expansion radiale et extension linéaire du tube et par refroidissement de la pelli cule quand le tube a atteint son expansion maximale,earacte risé on ce que:: Cat on limite la- chute de température de la pelli cule à une valeur qui n'est pas supérieure à 15C depuis le point initial d'expansion radiale jusqu'au point où le tube atteint le diamètre correspondant à l'expansion maximale et (b) on limite la tension circulaire développée par la bulle à une valeur qui ne dépasse par 225 kg/cm avant refroidissement. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de la pellicule en expansion est maintenue au-dessus de 130 C. 3.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chute de la température de la pellicule est réglée par des moyens de chauffage se trouvant à l'extérieur du tube et dans lesquels circule un fluide porté à une température d'envi- ron 50 à 155 C.