Brevet FR2029059A1 — publié le 19701016

L'invention est relative à un perfectionnement concernant l'alimentation d'uneextrudeuse en matière thermoplastique fondue contenant des substances volatiles ainsi qu'à un procédé visant à améliorer le débit de l'extrudeuse. L'invention est particulièrement utile dans l'extru- sion de polymères d'éthylène obtenus par le procédé dit de polymérisation en solution de l'éthylène ou de mélanges d'éthylène et d'autres monomères copolymérisables avec ce dernier, Avant de pouvoir extruder le produit polymère pour le couper en pastilles ou autres formes solides, il faut ramener la quantité de solvant présente à un niveau aussi bas que possible. La vaporisation du solvant est un moyen efficace d'en diminuer la quantité. Il se peut que du solvant résiduel soit encore associé au produit polymère après la vaporisation. On peut encore éliminer du solvant résiduel aux stades finals de la fabrication du produit polymère pour permettre au produit polymère fondu de passer par gravité à travers des plaques perforées pour arriver dans une trémie conique.On peut injecter de la vapeur d'eau surchauffée dans le fond d'une telle trémie pour abaisser la pression partielle de tout solvant résiduel éventuel. Sous une couche de vapeur d'eau et à une température de polymère supérieure à 2000C environ, le taux de solvant résiduel tend à s'abaisser en dessous de 2,5 % en poids et peut etre aussi faible que 0,2 % environ du poids total du courant de polymère. Le polymère fondu peut alors être transporté de la trémie, au moyen d'une extrudeuse, à un hachoir ou autre appareil servant à fabriquer des lamelles, des granules ou d'autres formes divisées. L'invention fournit un procédé d'extrusion qui consiste à amener de la matière thermoplastique dans un dispositif d'alimentation à un dispositif transporteur faisant partie d'une extrudeuse et qui comprend au moins une section d'alimentation et une section de dosage, le perfectionnement consistant à positionner au moins une partie de la section d'alimentation du dispositif transporteur en-dedans des limites du dispositif d'alimentation et à éliminer des substances volatiles de la matière thermoplastique dans le dispositif d'alimentation, à un endroit immédiatement adjacent à la section d'alimentation du dispositif transporteur. Dans un mode de réalisation, on élimine les substances volatiles de l'endroit mentionné en créant et en maintenant une zone de pression réduite- à llendroit mentionné, Dans un autre mode de réalisation, on élimine les -substances volatiles de la matière thermoplastique à l'endroit mentionné en introduisant en cet endroit un tube contenant une vis qui permet aux substances volatiles de sortir par le tube pendant que la vis tourne de manière à empêcher pratiquement la sortie de la matière ther moplastique, De préférence, le tube et la vis se terminent à l'endroit mentionné. Dans un autre mode de réalisation, les substances-volatiles comprennent un mélange d'eau et de solvants organiques de la matière thermoplastique.Le dispositif transporteur est de préférence formé d'une seule vis dans laquelle la section d'alimentation présente une capacité à peu près double de celle de la section de dosage. Dans un mode de réalisation, la matière thermoplastique est un polymère d'éthylène obtenu par polymérisation en solution, L'invention concerne aussi un appareil servant à extruder une matière thermoplastique et qui comprend un dispositif d'alimentation, un dispositif transporteur et des moyens d'élimination des substances volatiles, appareil caractérisé en ce que le dispositif transporteur comprend au moins une section d'alimentation et une section de dosage, au moins la section d'alimentation étant située en-dedans des limites du dispositif d'alimentation et les moyens d'élimination des substances volatiles de la matière thermoplastique étant placés de manière que l'élimination se produise à un endroit situé en-dedans des limites du dispositif d'alimentation et immédiatement adjacent à la section d'alimentation du dispositif transporteur. Selon un mode de réalisation, les moyens servant à éliminer de la matière volatile consistent en un tube, Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif servant à éliminer les substances volatiles comprend un tube rectiligne contenant une vis à vitesse variable qui permet de laisser échapper simultanément les substances volatiles du dispositif-d-lalimen- tation tout en empêchant pratiquement la matière thermoplastique de sortir de l'endroit mentionné.De préférence, le tube et la vis se terminent à l'endroit mentionné On peut facultativement appliquer une pression réduite, conjointement avec ce qui précède, De préférence,lappareil se caractérise en ce que le dispositif transporteur est formé d'une seule vis dans laquelle la section d'alimentation présente à peu près deux fois la capacité de la section de dosage de la vis d'extrudeuse. On a trouvé que l'endroit d'où lton élimine les substances volatiles est généralement défini par une poche de vapeur immédiatement adjacente au dispositif transporteur. La poche de vapeur apparat fréquemment proche du point où les filets en rotation, par exemple, dans le cas d'un transporteur à une seule vis, s'écartent de l'enveloppe du dispositif d'alimentation.Dans un cas type, les substances volatiles sortent du dispositif d'alimentation par une ouverture qui permet seule ment le passage dans un sens pratiquement opposé au sens dtarri- vée du polymère sur le dispositif transporteur0 Quand on utilise un tube seul, ce tube doit de préférence être formé d'une matière plastique telle que le polytétra fluoroéthylène. Les propriétés physiques et les dimensions du tube doivent autre telles qu'elles permettent lrapplication de pressions sous-atmosphériques (ctest-à-dire d'un vide).Chimiquement, le tube doit autre inerte vis-à-vis de la matière plastique à traiter, Bien qu'un tube de diamètre approprié (environ 1110 du diamètre de la vis) donne un résultat adéquat aux fins de l'invention, il peut occasionnellement Sistre obstrué par de la matière plastique entrafnée dans les substances volatiles, ce qui oblige à le déboucher. L'invention sera décrite plus en détail en se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 montre un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 montre un autre mode de réalisation de l'invention avec une variante de dispositif d'eehappement, et - la figure 3 est une vue suivant la ligne 3-3 de la figure 2. Sur la figure 1, l'enveloppe tO d'une trémie qui peut être formée placier au carbone et munie d'une chemise en vue du chauffage ou du refroidissement, est isolée de l'atmosphère par un couvercle Il et est conclue pour amener aux filets d'une vis 12 une matière plastique ramollie thermiquement telle que des polyoléfines (non représentées).On peut utiliser une vis, par exemple présentant un diamètre extérieur constant de 30- cm, un pas constant de 30 cm, une section d'alimentation de- 76 cm de longueur dont la profondeur de filet est de 6,4 cm suivie d'une section de transition de 30 cm de longueur dont la profondeur de filet diminue de 6,4 cm à 1,9 cm puis d'une section de dosage de 168 cm dont la profondeur de filet est de 1,9 cm et ensuite d'une section de mélange à filet interrompu de 76 cm de longueur, Une ouverture de trémie dtrlimentation, de forme elliptique, par exemple de 30 cm de largeur sur 61 cm de longueur, peut autre placée verticalement au-dessus des deux premiers filets de la section d'alimentation0 La vis est conçue pour tourner dans le sens de la flèche. Dans l'enveloppe 10 est prévu un dispositif d'échappement comprenant par exemple un tube flexible 15 en 'tUeflonn de i 2,7 mm de diamètre extérieur et 9,5 mm de diamètre intérieur contenu à l'intérieur d'un fourreau 14 en acier inoxydable de 19 mm de diamètre extérieur et t2,7 mm de diamètre intérieur.Le tube flexible 15 peut dépasser du fourreau t4 de toute distance désirée et on peut faire tourner le fourreau 14 sur son axe pour permettre une position variable de l'extrémité du tube t50 En faisant pivoter le fourreau 14, on peut laisser échapper des gaz de points situés jusqu'à 15 cm de part et d'autre de l'axe central de la trémie, Le tube 15 se termine près des filets de la vis 12, à l'intérieur d'une poche de substances gazeuses 3 qui se forme habituellement près d'un point où les filets de la vis 12 s'écartent de l'enveloppe 10 ou s'accumule à l'intérieur du canal situé entre les filets, quand on utilise l'appareil, par exemple pour extruder des polymères d'éthylène obtenus par polymérisation en solution, Sur la figure 2, une enveloppe 20 d'une trémie qui peut autre munie d'une chemise de chauffage ou de refroidissement si c'est nécessaire, est isolée de l'atmosphère par un couvercle 21 et est conçue pour amener aux filets d'une vis 22 une matière plastique ramollie thermiquement telle que des homopolymères ou copolymères d'éthylène (non représentés).La vis peut autre de la structure décrite à propos de la figure 1 ou bien elle peut autre par exemple une vis qui a un diamètre extérieur constant de 20 cm, un pas constant de 20 cm, une section d'alimentation de 48 cm de longueur dont la profondeur de filet est de 5,1 cm, suivie d'une section de transition de 20 cm de longueur dont la profondeur de filet diminue de 5,1 à 2,4 cm, puis .tune section de dosage dont la profondeur de filet est de 2,4 em et ensuite d'une section de mélange à filet interrompu de 30 cm de longueur, une ouverture elliptique de trémie d'alimentation de 20 cm de largeur et 48 cm de longue & étant placée verticalement au dessus de la section d'alimentation0 La vis est conçue pour tourner dans le sens de la flèche.Dans l'enveloppe 20 est inséré un dispositif d'échappement comprenant un fourreau métallique rigide 24, par exemple formé d'un tube en acier doux d'environ 25wus de diamètre intérieur contenant une vis 25 qui comporte une section munie d'un filet ayant une longueur de 24 cm, un diamètre extérieur de 2,5 cm, un pas de 5,1 cm, une profondeur de filet de 6,4 mm et une largeur de filet de 3,2 mm et mise en rotation au moyen d'un moteur à vitesse variable (non représenté) dans le sens voulu pour retourner vers la vis 22 la matière plastique qui pénètre dans le fourreau métallique 24 tout en permettant au gaz de s'échapper de la vis 22 à contrecourant relativement à la matière plastique. Le moteur à vitesse variable est conçu pour permettre à la vis 25 de tourner à 35-85 tr/mn.Le fourreau 24 se termine près des filets de la vis 22, des distances de jusqu'à 6,4 mm ayant été essayées avec succès, et à l'intérieur d'une poche de substances gazeuses 23 qui se forme habituellement près d'un point où les filets de la vis 22 s'écartent de l'enveloppe 20 ou à l'intérieur du canal situé entre les filets, quand on utilise l'appareil, par exemple, pour extruder un polymère d'éthylène obtenu par polymérisation en solution. Le bout de la vis 25 peut s'avancer au-delà du fourreau 24, jusqu'à une distance d'environ 3,2 mm de part et d'autre du rayon extérieur de la vis principale 22. Une gorge (non représentée) peut être usinée dans un filet de la vis 22 pour permettre une rotation simultanée et non entravée de la vis 22 et de la vis 25.Le tube 26 est raccordé au fourreau 24 sous un certain angle (par exemple horizontal) propre à faciliter ltélimination continue de substances gazeuses provenant de l'intérieur de l'extrudeuse. On pourra déterminer plus clairement l'emplacement effectif du fourreau 24 à l'ntérieur de ltextrudeuse en se référant à la figure 3. Des positions comprises entre l'axe central et un point situé à 10 cm en avant de l'axe central peuvent convenir. Le procédé de l'invention peut autre illustré à l'aide de l'appareil représenté par les figures 1 et 2 et de la description ci-après. On peut obtenir du polymère de la façon suivaizte : on dissout 8,0 à 19 , en poids d'éthylène monomère dans un solvant inerte et on l'introduit dans une zone de réaction qui peut être soit un autoclave agité soit un réacteur tubulaire non agité, soit toute combinaison d'un réacteur agité et dtun ou deux réacteurs tubulaires. On polymérise l'éthylène en solution dans la zone de réaction en présence d'un catalyseur de coordination (qui est injecté séparément en un solvant dans la zone de réaction).On règle la pression et la température de façon que le polymère formé reste en solution, La distribution de poids moléculaires désirée influence le choix de la configuration effective du réacteur, le produit de réaction donné par un autoclave agité-ayant habituellement une distribution étroite de poids moléculaires tandis que le produit formé dans un réacteur tubulaire adiabatique non agité tend à avoir une large distribution de poids moléculaires. On peut ajouter de petites quantités d'hydrogène, de l'ordre de 4 à 40 parties par million par rapport au poids de l'alimentation du réacteur, afin d'améliorer le réglage de l'indice de fusion ou la distribution de poids moléculaires et de faciliter ainsi l'obtention d'un produit plus uniforme.Habituellement, on désactive le catalyseur de polymérisation immédiatement après que le polymère d'éthylène ait quitté la zone de réaction, On peut aussi introduire dans la zone de réaction diverses quantités d'oléfines additionnelles telles que le propylène, le butène-1, l'octène-1 ou le 4-méthylpentène-1, en mélange avec l'éthylène, pour former des copolymères. Les produits d'une telle copolymérisation présentent des densités modifiées par rapport aux homopolymères d'éthylène. Le solvant inerte utilisé comme milieu de réaction peut autre un hydrocarbure aliphatique, aromatique ou cycloaliphatique comme ltheptane, le toluène ou le cyclohexane0 Le solvant choisi doit entre un solvant du monomère et du polymère formé dans la réaction0 Le cyclohexane est le milieu solvant préférentiel. Des catalyseurs utiles pour la préparation des polymères sont les catalyseurs dits de coordination, On peut par exemple obtenir ces catalyseurs en mélangeant un composé de titane ou de zironi-, de préférence un composé dans lequel ces métaux sont liés à des groupes tels que des groupes oxyhydrocarbure, halogénnre ou à toute combinaison dè ceux-ci, et un réducteur organométallique servant de deuxième constituant. Des exemples du premier constituant sont TiCl4, TiCl3, i-(O-hydrocarbure)4, Ti-(O-hydrocarbure)30 Des exemples du deuxième constituant sont des métal-alcoyles, des métalalcényles et des acétylures comme lléthyl-cyclohexényle de lithium et d'aluminium, des hydrures métalliques comme l1hydru- re de lithium et le borohydrrre de sodium, des réactifs de Grignard comme le bromure de phénylmagnésium, et des métaux alcalins et alcalino-terreux comme le sodium et le -lithium. Le catalyseur utilisé peut autre composé par exemple dlun halogénure de titane et d'un constituant réducteur tel qu'un slcoylalumi sium, Des systèmes catalytiques préférés sont le tétrachlorure de titane et le diéthylaluminium, ou un mélange dtoxychlorure de vanadium, de tétrachlorure de titane et de triisobutylaluminium. La conversion d'éthylène en polymère solide dans la zone de réaction peut être de 85-98 o Le temps de séjour dans la zone de réaction est compris entre 1,0 et 7,0 minutes. Après désactivation, on chauffe la solution de polymère à environ 30000 dans un échangeur de chaleur puis on la fait passer à-tra- vers une couche d'alumine activée qui élimine la quasi-totalité des résidus désactivés de catalyseur.On ramène alors la pression relative d'environ 98-140 kg/cm2 à environ 32-63 kg/cm2 et on vaporise de la solution de polymère environ 60 % du solvant et du monomère inaltéré, à une température d'environ 270-290 Co On raffine alors une phase riche en polymère ayant une concentration de polymère de 20-45 % jusqu'à ce qu'il ne reste plus que 2-5 % de solvant. On extrude le polymère fondu contenant 2-5 % de solvant à travers une plaque perforée en le faisant arriver dans une trémie conique, en appliquant un gradient de pression de part et d'autre de la plaque si nécessaire. On injecte dans cette trémie conique de la vapeur dteau surchauffée à 160-240 C pour ramener la quantité de solvant résiduel en dessous de 2,5 ss en poids.La pression relative dans la section inférieure de trémie est d'environ 0,2-1,t kg/cm2 et la température d'environ 200axa. Le polymère contenu dans la trémie, à environ 200 C et à une pression relative de 0,2-1,1 kg/cm, qui contient au maximum 2,5 ss en poids de solvant, arrive par gravité de la trémie conique dans l'enveloppe de la section d'alimentation de l'extrudeuse, indiquée respectivement en 10 et en 20 sur les figures 1 et 2. L'extrudeuse refoule le polymère de la trémie à travers un hachoir qui est un appareil de fabrication de pastilles sous eau de structure usuelle, Pour refouler le polymère à travers la face de filière du hachoir, l'extrudeuse doit avantageusement engendrer une pression relative constante d'environ 28-140 kg/cm2 avant la filière.Une pression constante à la filière est nécessaire pour que le hachoir forme des pastilles uniformes0 Les fluctuations dans la pression à la filière en traînent une grandeur variable de pastilles, ce qui est indesi- rable. Les pastilles formées dans appareil sous eau sont ame- nées dans l'eau à un cribleur-séchoir d'où les pastilles sèches sont amenées pneumatiquement a des mélangeurs où se fait l'éli invention finale des 0 , en poids résiduels de substances volatiles, après quoi le polymère est conditionné en vue de l'expédition. Le procédé de l'invention tend à maintenir un débit de sortie constant, réduisant ainsi au minimum les fluctuations de pression à la filière et diminuant les fluctuations de puissance du moteur d'entraînement Les tableaux suivants illustrent davantage l'invention :: TABLEAU I Exemples - Amélioration du débit de la vis Exem- Type de Vitesse Débit de Débit de Système d'échappe- Propriétés du polymère ples la vis, de la polymère polymère ment (moyenne) N cm vis, kg/h kg/tr/mn en ac- type, Indice Exposant Densité tr/mn tion ou figures à l'état de con non fondu trainte 1 20 108 1540 14,3 non 2 et 3 0,85 1,8 0,96 2 20 108 3860 35,8 oui 2 et 3 0,85 1,8 0,96 3 20 108 2630 24,5 non 2 et 3 14,0 0,94 4 20 108 3540 32,7 oui 2 et 3 13,5 0,96 5 30 85 4470 49,9 non 2 et 3 0,7 1,8 0,96 6 30 88 5900 67,1 oui 2 et 3 0,7 1,8 0,96 7 30 108 4490 41,7 non 2 et 3 1,85 0,935 8 30 82 5810 70,8 oui 2 et 3 1,85 0,935 TABLE II Quantités et composition des gaz oui s'échappent Exem- Type Vitesse Débit de Système Indice Expo- Poids % de Sépa- Gaz qui s'échappent ple de la de la polymère, d'échap- à sant spé- sol- ration- Débit de % d'eau N vis, vis, kg/h pement l'état de cifi- vant à basse liquide (reste cm tr/mn fondu con- que dans pression/ de con- du sol trainte g/cm les pres- densa- vant) pas- sion re- tion, tilles lative l/h en kg/cm 9 30 75 4.540 Fig. 1 0,96 1,79 0,961 - 0,2 3,0-7,6 10 % 10 30 67 3.080 Fig.2 & 3 49,0 1,22 0,9228 1,7 % 0,7 0,73 10 % 11 30 40 2.490 Fig.2 & 3 0,48 1,39 0,9192 1,69 % 0,7 3,3 47 % 12 20 47 2.150 Fig.2 & 3 0,48 1,39 0,9192 1,69 % 0,7 9,0 5 % TABLEAU III Examples de stabilité améliorée Exem- Type Extrudeuse Pressions de l'extrudeuse Polymère système d'éple de la Vites- Débit Débit, Pression Pression rela- Indice Expo- Den- chappement N vis, se de de po- kg/tr/ relative tive à la à l'état sant sité en ac cm la vis, lymère, mn à la fi- sortie de la fondu de tion Type tr/mn kg/h lière, section de con- ou non kg/cm transition, train kg/cm te 13 20 97 1.590 16,3 63-102 Non déterminée non 0,92 1,33 0,942 Fig.2 moyenne 15 30 85 3.180 37,2 70-105 3,5-10,5 non 0,92 1,33 0,942 Fig.2 16 30 47 2.950 62,6 118 58-60 oui REVENDICATIONS 1 - Procédé d'extrusion consistant à amener de la matière thermoplastique, dans un dispositif d'alimentation, à un dispositif transporteur faisant partie d'une extrudeuse et qui comprend au moins des sections d'alimentation et de dosage, procédé caractérisé en ce que l'on positionne au moins une partie de la section d'alimentation du dispositif transporteur en-dedans des limites du dispositif d'alimentation, et on élimine des slltstances volatiles de la matière thermoplastique dans le dispositif d'alimentation, à un endroit immédiatement adjacent à la section d'alimentation du dispositif transporteur. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour éliminer les substances volatiles on crée et on maintient à l'endroit mentionné une zone de pression réduite. 3 - Procédé selon l'luxe quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que pour éliminer les substances volatiles de la matière thermoplastique à l'endroit mentionné, on introduit en cet endroit un tube contenant un dispositif à vis qui permet aux substances volatiles de sortir par le tube pendant que la vis tourne de manière à empocher pratiquement la sortie de la matière thermoplastique par le tube, 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tube et la vis se terminent à l'endroit mentionné. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 4D caractérisé en ce que les substances volatiles sont constituées par un mélange d'eau et de solvants organiques. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications -1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif transporteur est formé d'une seule vis dans laquelle la section d1alimentation possède une capacité à peu près deux fois plus grande que la section de dosage. 7 - Procédé selon l'tune quelconque des revendications t à 6; caractérisé en ce que la matière thermoplastique est un polymère d'éthylène obtenu par polymérisation en solution. 8 - Appareil servant à extruder une matière thermo- plastique, comprenant un dispositif d'alimentation, un dispositif transporteur et des moyens pour éliminer des substances voia- tiles, caractérisé en ce que le dispositif transporteur comprend au moins une section d'alimentation et une section de dosage, au moins une partie de la section d'alimentation étant située en-dedans des limites du dispositif d'alimentation, et les moyens pour éliminer des substances volatiles de la matière thermoplastique étant placés de manière que cette élimination se produise à un endroit situé en dedans des limites du dispositif d'alimentation et immédiatement adjacent à la section d'alimentation du dispositif transporteur. 9 - Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens servant à éliminer de la matière volatile comprennent un tube. 10 - Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif servant à éliminer les substances volatiles comprend un tube contenant une vis à vitesse variable qui présente un pas relativement grand pour permettre simultanément l'échappement de substances volatiles de la matière à 11 endroit mentionné et le renvoi de la matière thermoplastique à cet endroit. Il - Appareil selon itune quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le dispositif transporteur est formé d'une seule vis dans laquelle la section d1alimenta- tion présente une capacité à peu près double de celle de la section de dosage de la vis dans ladite extrudeuse.