Brevet FR2014659A1 — publié le 19700417

Cette invention concerne plus généralement la productionsdes extrusions à partir des suspensions ou des solutions colloidales. Elle vise plus particulièrement la formation des extrusions convenant à la fabrication des articles en céramique. I1 est bien connu de fabriquer de la céramique par extrusion, suivie de frittage, d'une pâte préparée dans un mélangeur à partir des matières premières appropriées mélangées avec de liteau, en prenant soin d'ajuster la quantité d'eau de manière à donner à la pdte une consistance convenant à l'extrusion. Cependant, ce procédé présente, de nombreux inconvén}ents. Ainsi, comme la consistance de la pâte ne peut pas etre ajustée convenablement une fois qu'elle se trouve dans la machine à extruder, toute la p te doit en être retirée pour etre mélangée, si la consistance se révèle incorrecte. Etant donné que celle-ci a une valeur critique et que son choix est généralement fixé par des essais successifs, ceci présente un inconvénient majeur. Plus récemment, des céramiques ont été préparées en concentrant progressivement des suspensions colloidales, le gel obtenu étant ensuite fritté. Cependant, à ce jour, ce procédé n'était pas applicable à la production d'articles profilés de grande résistance. Seuls des fragments et des microsphères ont pu etre obtenus par ce procédé, les tentatives de fabriquer des articles profilés conduisant à une perte de résistance mécanique par suite des bulles d'air occlues. La présence de bulles d'air occlues est généralement un des inconvénients du procédé par extrusion comme mentionné ci-dessus. La resistance du produit céramique final est fortement réduite par la présence des poches d'air et c'est pourquoi la quantité flair présente dans la matière doit etre réduite au minimum. On comprendra aisément que, en transférant le gel ou la p te du concentreur à l'extrudeur, celui-ci doit etre brisé pour etre tassé dans l'extrudeur et des bulles d'air provenant de l'atmosphère environnante peuvent facilement pénétrer dans la matière. Alors que les grosses bulles peuvent etre éliminées par le dégazage sous vide, ce procédé ne supprimera pas les bulles de dimension réduite. Un autre inconvénient du procédé par extrusion est le manque d'homogénéité obtenu. Ceci conduit à la distorsion et au contrôle imparfait des dimen sions du produit fritté. La présente invention a pour un de ses objets la fabrication des pièces en céramique dans une grande mesure dépourvue des inconvénients précités. L'invention est applicable à la concentrati;rn des solutions colloidales convenant à la fabrication des pièces en céramique, telles que solutions colloidales ou dioxyde de zirconium, d'oxyde d'uranium, d'oxyde de plu tonium, d'oxydes de terres rares ainsi que d'autres solutions colloidales ou suspensions de ces matières, de meme que d'autres substances. Dans la présente description, le terme "suspension" s'applique à tous les mélanges de particules solides avec un liquide porteur (autres que les solutions colloidales) qui peuvent etreoencentrées jusqu'à la consistance se pretant à l'extrusion. L'invention vise, d'une manière générale, la préparation des gels et formes de putes pour frittage et d'autres applications. Ainsi il est pré vu que l'invention pourra autre utilisée dans la fabrication des articles allant des pièces en céramique spéciales aux briques du bâtiment. Dans une de ses formes générales, llinvention vise un procédé qui est caractérisé par la formation d'une pate ou d'un gel comprenant la préparation d'une solution colloidale out'une suspension des matières des tinées à l'extrusion, la solution colloidale ou la suspens ion contenant une quantité de liquide porteur suffisante pour ne pas contenir les gaz atmosphériques ambiants, par ltenlèvement de l'excès du liquide de la solution colloidale ou de la p te afin de former un gel ou une pâte d'une consistance convenant à l'extrusion, et par l'extrusion dudit gel ou de la- dite pâte, l'enlèvement du liquide excédentaire et l'extrusion étant effet~ tués dans un système fermé. Selon une autre caractéristique générale, l'invention vise un appareil pour la production des formes extrudées à partir d'une suspension ou d'une solution colloidale, ledit appareil comprenant un concentreur et un extrudeur, ce dernier étant en communication avec ledit concentreur dans un système fermé. On comprendra mieux l'invention par la description d'un mode de réalisation de celle-ci, donnée ci-après à titre d'exemple non limitatif ainsi que par le plan annexé dans lequel: la fig. 1 représente en coupe la vue en élévation de l'appareil concentreur et de l'appareil extrudeur. Conformément à ce mode de réalisation, l'ensemble du concentreur et de llextrudeur comprend une enveloppe cylindrique creuse 2 représentée pour plus de commodité comme étant dans une position de fonctionnement verticale, les matières destinées à etre concentrées circulant du haut vers le bas. L'enveloppe 1 définit un espace cylindrique revetu sur une partie de sa longueur par un tube poreux 3. Le revêtement poreux 3 peut avantageusement occuper approximativement la moitié supérieure de la longueur de L'espace intérieur. C'est dans cette partie supérieure du cylindre que s'effectue la concentration, alors que la partie inférieure constitue l'extrudeur. Une hélice 4 montée à l'extrémité supérieure du cylindre et entrahrée par le moteur 5 disposé à cette extrémité, tourne à l'intérieur de l'enveloppe. Le diamètre de l'hélice est de préférence tel que lors de sa rotation son filet 6 vient racler le côté du tube poreux. L'hélice se prolonge~depuis l'extrémité supérieure de l'enveloppe jusqu'à un point situé légèrement au-dessus du bloc d'extrusion 7 monté à l'extrémité inférieure de l'enveloppe. Le bloc 7 est de préférence amovible et interchangeable avec des blocs ayant des formes différentes. Une tuyauterie d'entrée 8 de la solution colloidale ou de la suspension arrive d'un mélangeur ou d'un réservoir (non représenté); passe par la pompe 9 et, après avoir traversé la paroi de la partie supérieure de l'enveloppe 2 débouche à la surface intérieure du tube poreux 3. La solution colloïdale ou la suspension pénètre dans cet espace sous pression au voisinagè immédiat de la partie la plus élevée de l'hélice 4. Une tuyauterie de sortie 10 permet l'évacuation vers l'extérieur du liquide, absorbé par le tube poreux, par l'ouverture d'un robinet à débit variable Il. En fonctionnem nt, l'appareil est alimenté à l'extrémité supérieure de llenveloppe 2, sous pression par pompage continu, par une matière appropriée telle que une solution colloidale aqueuse de ThO2 concentrée à 5 moles et ayant des grains d'une grosseur moyenne de 70A, la matière étant ensuite acheminée par l'hélice 4 à faible jeu vers le bloc extrudeur 7. Etant donné que l'alimentation s'effectue par pompage dans un réservoir au moyen d'une tuyauterie fermée 8, la matière est dans une large mesure dépourvue dlair. Le gaz qui pourrait être présent dans le réservoir aura toute la possibilité de monter à la surface du liquide et de s'échapper. Au fur et à mesure que la matière descend dans l'espace compris entre l'arbre de l'hélice 4 et le tube poreux 3, l'eau ou autre liquide porteur s'élimine par ultra-filtrage et passe dans le tube poreux, d'où il est évacué par le tuyau de sortie 10. Ainsi, la liqueur devient de plus en plus concentrée au fur et à mesure qu'elle se déplace vers le bas du tube 3. Le terme "poreux" utilisé dans la présente description et dans les revendications signifie uniquement l'existence d'un pouvoir d'absorbbion suffisant pour assurer l'effet de filtrage désiré. La vitesse avec laquelle le liquide porteur se sépare de la solution collol- dale ou de la suspension dépend du gradient de pression existant à travers le tube poreux, de sorte que cette vitesse peut être réglée par la manoeuvre du robinet à débit variable Il interposé dans la tuyauterie de sortie. I1 est donc possible, lorsque la matière extrudée n'a pas la consistance voulue, d'y remédier en agissant convenablement sur le robinet 11. Après avoir quitté la région du tube poreux, la matière concentrée est conduite à l'aide de l'hélice 4 à travers ltextrudeur sous une pression suffisante pour lui permettre de traverser le bloc 7. Le barreau extrudé 12 peut ensuite être fritté. Moulage par injection pourrait etre prévu entre l'extrusion et le frittage à titre d'extension du procédé décrit. Il est évident que la matière se trouvant en suspension ne pourra pas pénétrer dans le revetement poreux 3 ensemble avec le liquide porteur. De meme, lorsqu'il s'agit dlune solution colloidale, la phase dispersée ne pénètre pas dans le revetement avec le liquide porteur. En fait, la solution colloidale constitue le cas limite de cet effet. Lorsqu'on utilise une solution upe colloidale, ltagent-filtrant réel estmînce couche colloidale très concentrée qui se forme sur la surface du revetement poreux. Cette couche reste très mince sous l'action racleuse de l'hélice 4 de sorte que la vitesse de filtrage ne devient jamais trop faible.La profondeur du filet de l'hélice 4 est de préférence assez faible de sorte que l'espacement entre l'arbre de l'hélice et le revêtement est petit et la différence dans la concentration de la solution colloidale ou de la suspension est réduite au minimum. Si le filet est trop profond, la matière qui se trouve au voisinage immédiat de l'arbre aura la tendance d'être moins concentrée que celle avoisinant le revêtement et ceci conduirait à un manque d'uniformité du produit. En fait, les faibles différences de concentration qui se produisent, sont, dans une grande mesure, éliminées par l'action mélangeuse de hélice. Les barreaux extrudés peuvent donc être èomplètemeflt homogènes et dépouvus de bulles d'air. Ceci permet d'utiliser pleinement toutes les propriétés désirables de matériaux colloidaux céramiques, telles que retrait isotropique pendant le frittage, finesse des grains et faible porosité. Comme indiqué précédemment, ces propriétés n'ont pu être réalisées dans le passé que dans des petits fragments ou dans des micro sphères. Avec les procédés connus, une quantité relativement importante de gaz reste emprisonnée dans le barreau extrudé. Ceci conduit à des contractions inégales pendant le frittage et à un produit très affaibli par des poches d'air. Etant donné que le procédé selon l'invention s'effectue dans un système fermé, un avantage complémentaire serait son application aux matières radio-actives, où les manipulations doivent réduites au minimum. I1 est bien entendu que le mode de réalisation décrit plus haut n'est qu'une forme préférée de l'invention et que de nombreuses variations sont possibles. Ainsi dans une alternative, la solutions colloidale ou la suspension pourrait être amenée à l'extrudeur après avoir longé des bancs poreux. Ces derniers pourraient être disposés de manière que la solution colloidale ou la suspen- sion cascade par dessus les bancs poreux se concentrant de plus en plus dans sa descente ve-rs l'extrudeur. De même ,chaque banc pourrait communiquer avec l'extérieur par un robinet réglable. REVENDICATIONS 1 Un procédé -pour la préparation d'une pâte ou d'un gel convenant à la fabrication des pièces en céramique à partir des solutions colloidales Qu des suspensions, caractérisé en ce qu'on prépare une solution colloidale ou une pâte contenant une quantité du liquide porteur suffisamment élevée pour permettre l'exclusion, de celui-ci, des gaz atmosphériques ambiants, qu'on enlève à ladite solution colloidale ou à ladite pâte le liquide porteur en excès, de manière à former un gel ou une pâte ayant une consistance convenant à l'extrusion et qu'on extrude ledit gel ou ladite pâte, l'enlèvement du liquide et l'extrusion étant effectués dans un système fermé. 2. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enlève- ment du liquide porteur s 'effectue en àisant passer ledit gel ou ladite pâte sur des surfaces en matière poreuse, de sorte que le liquide porteur passe dans la matière poreuse alors que la substance suspendue dans le cas d'une suspension, ou la phase dispersée dans le cas d'une solution colloidale, est retenue respectivement dans la pâte ou la solution colloiSdale ci-dessus. 3. Un procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites surfaces de matière poreuse comprennent les surfaces intérieures d'un tube cylindrique poreux. 4. Un procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tube poreux constitue le revêtement intérieur de la partie supérieure d'une envelop pe cylindrique creuse, que la partie inférieure de ladite enveloppe forme un extrudeur et que ladite solution collofdale ou ladite suspension descend continuellement par ledit tube poreux vers l'extrudeur. 5. Un procédé selon la revendication. 3 ou 4, caractérisé en ce que la solution colloidale, ou la suspension, descend ledit tube sous l'action d'une hélice tournante. 6. Un procédé selon l'une quelconque des revendications 3 - 5, caractérisé en ce que ledit liquide porteur est enlevé par ultra-filtrage à travers une couche concentrée de la solution colloidale ou de la suspension qui se forme sur la surface intérieure du tube. 7. Un procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche est maintenue à une valeur très faible par l'action râcleuse du filet de l'hélice. 8. Un procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les surfaces de la matière poreuse sont constituées par des surfaces supérieure s des bancs de matière poreuse et que la solution colloidale ou la suspension descend en cascade les bancs ci-dessus. 9. Un procédé selon l'une quelconque des revendications ci-dessus, caractérisé en ce que les gaz atmosphériques ambiants sont d'abord exclus de ladite solution colloidale ou de ladite suspension dans un réservoir, dans lequel ces gaz peuvent monter librement à la surface supérieure ouverte de ladite solution colloïdale ou de ladite suspension et s'échapper de celle-ci. 10. Un procédé selon l'une quelconque des revendications ci-dessus, caractérisé en ce que la consistance finale de la pâte ou du gel peut être contrôlée par le contrôle d'enlèvement du liquide porteur. 11. Un appareil-pour la production des extrusions à partir d'une solution colloidale ou d'une suspension, caractérisé en ce qu'il comprend un organe concentreur et un organe extrudeur, ce dernier étant en communication avec ledit concentreur dans un système fermé. 12. Un appareil selon la revendication 11, caraètérisé en ce qu'il comporte des moyens poreux pour l'adsorbtion du liquide porteur contenu dans ladite solution colloidale ou ladite suspension. 13. Un appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que ces moyens poreux sont constitués par un tube cylindrique poreux. 14. Un appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit tube poreux constitue le revêtement intérieur de la partie supérieure d'une enveloppe cylindrique creuse. 15. Un appareil selon la revendication 14, caractérisé en ce que la partie inférieure de ladite enveloppe forme ledit organe extrudeur. 16. Un appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend un bloc extrudeur à l'extrémité inférieure de ladite enveloppe. 17. Un appareil selon l'une quelconque des revendications 13 - 16, caractérisé en ce qu'il comporte une hélice tournante à l'intérieur de ladite envelwe. 18. Un appareil selon la revendication 17, caractérisé en ce que le diame - tre de l'hélice est tel que lors de sa rotation, son filet vient râcler le côté du revêtement poreux. 19. Un appareil selon la revendication 17 ou 18, caractérisé en ce que ladite hélice est montée à l'extrémité supérieure de ladite enveloppe et qu'elle se prolonge jusqu'à un point legèrement au-dessus dudit bloc extrudeur. 20. Un appareil selon l'une quelconque des revendications 14 - 19, caractérisé en ce que ladite enveloppe comporte des moyens d'entrée reliant un réscrvoir à solution colloidale, ou à pâte, avec l'intérieur dudit revêtement poreux. 21. Un appareil selon l'une quelconque des revendications 14- 20, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens à valve permettant de contrôler l'écou- lement du liquide provenant du tube poreux. 22. Un appareil selon l'une quelconque des revendications 12 - 21 caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir qui alimente ledit concentreur en solution colloSdale, ou en suspens ion, et que Ie gaz atmosphériques ambiants peuvent s'échapper à l'intérieur dudit réservoir, de ladite solution colloidale ou de ladite suspens ion.