Brevet FR2242225A1 — publié le 19750328

La présente invention concerne un procédé d'extrusion de matières plasuiques ayant des viscosités très élevées à 11 état fondu et dépendant peu de la température, au moyen d'une boudineuse à une seule vis, à une vitesse cireon férentielle de la vis d'au moins 17 m/mn., et avec une énergie mécanique, fournie à la matière à extruder par l'intermédiaire de la vis, de 0 > 25 kNt/kg au maximum. Dans la transformation de matières thermoplastiques macromoléculaires et très visqueuses au moyen des boudineuses à une seule vis de construction usuelle, à savoir-avec une vis à trois zones ou avec une courte zone de compression, il se produit une forte surchauffe de la matière à extruder mEme pour des vitesses de rotation moyennes de la vis. Du fait de la viscosité élevée de ces masses fondues, qui n?est dimi- nuée que faiblement avec ltaugmentation de la température, une grande partie de lténergie mécanique, fournie à la vis par friction visqueuse, est transformée en chaleur. La surchauffe peut être si élevée que la matière plastique soit endommagée thermiquement par dégradation ou décomposition. Alors que le débit d'extrusion, ctest-à-dire la quantité de la matière à extruder transportée par unité de temps, augmente à peu près proportionnellement à la vitesse de rotation de la vis, l'accroissement de la température dépasse la proportionalité. C'est pourquoi on ne pouvait extruder des matières plastiques à très haut poids moléculaire sur des boudineuses à une seule vis de construction classique, qu'à des vitesses de rotation réduites de la vis, ce qui n'est pas- économique. Or, la Demanderesse a trouvé un procédé d'extrusion de matières thermoplastiques à viscosité élevée au moyen d'une boudineuse à une seule vis, proc#édé caractérisé en ce que la matière thermoplastique est comprimée-et préchauffée dans la boudineuse à une vitesse circonférentielle de la vis supérieure à 13 m/mn, et, après passage à travers une zone de compression, elle est#plastifiée brusquement, par le travail de cisaillement, transformé en chaleur, dans une zone à faible profondeur du filet et dont la longueur est d'un huitième au maximum de la longueur de la vis, après quoi on la fait passer à travers une zone de décompression, et ensuite dans une zone à filet profond où elle est relaxée, mélangée et homogénéisée sous une faible action de cisaillement, et finalement elle est déchargée, l'apport total d'énergie à la matière à extruder par l'intermédiaire de la commande de la boudineuse étant de 0,25 kwh/kg au maximum. Pour la miSe en oeuvre du procédé conforme à l'inven- tion on utilise avantageusement une boudineuse dont la vis est divisée en cinq zones, la profondeur du filet étant rapportée au diamètre D de la vis et la longueur des zones à la longueur L de la vis. La longueur L de la vis est de 15 à 30 fois et de préférence de 20 à 25 fois le diamètre de la vis 1) zone d'alimentation avec profondeur de filet constant profondeur du filet ................... 0,10 - 0,22 D longueur , 0,20 0,20 - 0,40 L 2) zone de compression longueur .,, ........ 0,10 - 0,10 - 0,30 L )) zone de plastification ou de cisaillement avec profondeur de filet constant profondeur du filet ,,. 0,05 L 0,08 D longueur , O, o & 0,08 - 0,125 t 4) zone de décompression longueur .............................. 0,02 - 0,05 L 5) zone de décharge avec profondeur de filet constant profondeur du filet ...,.... ..... 0,08 - 0,125 D longueur .............................. 0,25 0,25 0 > 60 ou ou 0,60 L. Des vis ayant un pas constant de 1 D sont particulièrement appropriées, mais il est également possible d'utiliser des vis à pas différent. Le procédé conforme à l'invention est particu lièrement approprié à la transformation de matières plastiques à très haut poids moléculaire d'un poids moléculaire moyen pondéral de 100.000 et sensiblement plus élevé. Il est particulièrement approprié à l'extrusion de polyéthylènes basse pression ayant un poids moléculaire supérieur à 100.000 ou un indice de fusion MFI 190/5 inférieur à 2 g/10 mn (selon DIN 55 755 E). Outre du granulé, des poudres peuvent entre traitée également sans difficulté. Dans le procédé conforme#à l'invention, la matière plastique est amenée à la première zone et comprimée et préchauffée dans cette zone et la zone de compression. Dans la zone de plastification suivante, la matière est cisaillée à grande vitesse dans le filet peu profond, une partie relativement importante de l'énergie mécanique apportée par la vis étant transformée en chaleur, par friction, de sorte que la matière plastique est plastifiée dans un court laps de temps sans échange notable de chaleur par la vis et le cylindre. A cause de la faible longueur de cette zone, la matière à extruder passe vite dans la zone de décompression suivante, puis dans la zone de décharge. Dans les deux dernières zones, la masse fondue est mélangée et homogénéisée avec un cisaillement fortement réduit avant entre déchargée du cylindre. Pour une bonne mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, il est nécessaire que la zone de décharge soit entièrement remplie de masse fondue.Lorsque la contrepression du moule n1 est pas suffisante à cet effet, il est recommandé de monter, entre l'extrémité de la boudineuse et le moule, une zone d'étranglement de construction connue. Si l'homogénéité de la matière extrudée doit satisfaire à des exigences particulièrement élevées, il peut Etre prévu, dans la zone de décharge, des éléments mélangeurs additionnels. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre dtexemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut Etre réalisée. La figure 1 montre une vis à cinq zones, convenant pour la mise en oeuvre du procédé conforme à-l'invention. La figure 2 montre, à titre de comparaison, une vis à trois zones, de construction connue, avec augmentation progressive du noyau. Dans les deux figures, les chiffres de références ont les significations suivantes 1 :zone d' alimentation 2 :zone de compression 3 : zone de cisaillement et de plastification 4 : zone de décompression 5 : zone-de décharge -6 : largeur du filet 7 : pas 8 :tige de la vis. Les exemples-suivants illustrent la présente invention. Le procédé conforme à l'invention est comparé relativement à l'élévation de la température et au débit, à un procédé d'extrusion au moyen d'une vis à trois zones classiques. EXEMPLE 1 On procède à L'extrusion de polyéthylène basse pression pulvérulent, ayant une densité de 0,945 g/cm5, un indice de fusion,M#I 190/5 de 1,2 g/1O mn (déterminée selon DIN 55 755 E), un indice de viscosité de ),0 (selon ISO R 1191), correspondant à un poids moléculaire moyen pondéral d'environ 125.000, au moyen d'une boudineuse à une seule vis ayant un diamètre D de 60 mm et une longueur effective de 25 D. A titre comparatif on extrude le même polyéthylène au moyen de la mEme boudineuse mais avec une vis usuelle à trois aones. Les dimensions des deux vis sont spécifiées dans le tableau suivant. TABLEAU I vis à 5 zones vis à 5 zones de l'invention à titre de zomparaisun diamètre D 60 mm 60 mm longueur effective 25 D 25 D zone d'alimentation longueur 7,5 D 8 D profondeur du filet 10,0 mm 1 O, 1 mm zone de compression longueur 7,0 Ds 7,0 D zone de cisaill3ment longueur 2,0 D profondeur du filet 4,0 mm zone de décompression longueur 0,5 D zone de décharge longueur 8,0 D 10,0 D profondeur du filet 4,9 mm 4,0 mm pas 1,0 D 1,0 D largeur du filet 7,0 mm 7,0 mm Pour régler la contre-pression on a raccordé par des brides, à l'extrémité du cylindre, une soupape d'étranglement. La température du cylindre dans la zone de décharge et de la soupape d'étranglement est maintenue à 190 C. La température de la matière extrudée est mesurée à la sortie du cylindre à l'aide d'un thermo-élément. Dans le tableau suivant, on indique les débits, l'élévation de la température constatée (différence entre la température de la matière extrudée et la température réglée du cylindre) et l'énergie mécanique N, apportée par la vis, rapportée au débit Q pour deux vitesses de rotation de lavis. T A B L E A U Il conforme à l'invention comparaison vitesse de rotation tours/mn -70 100 70 100 vitesse circonférentielle m/mn 13,2 1-8,9 15,2 18,9 débit Q kg/h 58 84,5, 47,5 71,5 élévation de température C 21ss5 29 42 55 N/Q kB.E/kg 0,22 o, 236 0,265 o, 268 EXEMPLE 2 Le polyéthylène basse pression extrudé selon le procédé décrit à l'exemple 1 est transformé en granulés, et on détermine l'indice de fusion et l'indice de viscosité du granulé. Les valeurs mesurées ne diffèrent pas des #valeurs de la poudre. On utilise le granulé pour une nouvelle extrusion au moyen d'une boudineuse à une seule vis ayant un diamètre de 90 mm et une longueur effective de 24 D. On effectue une extrusion conforme à l'invention et, a' titre de comparaison, une extrusion avec une vis connue a' trois zones. Pour régler la contre-pression, une soupape d'étranglement est raccordée par des brides à l'extrémité du cylindre. La température du cylindre dans la zone de décharge et de la soupape d'étranglement est réglée à 19000. On mesure la température de la matière extrudée à à la sortie du cylindre au moyen d'un thermomètre pour masses fondues. Dans le tableau III suivant sont indiqués# les dimensions des deux vis, les vitesses de rotation, les débits obtenus, l'élévation de température mesurée et l'énergie mécanique apportée par la vis, rapportée au débit N/Q. T A B L E A U III vis à 5 zones vis a' 3 zones selon à titre de 1'invention comparaison diamètre D 90 mm 90 mm longueur effective 24 D 24 D zone d'alimentation longueur 7,0 D 6,0 D profondeur du filet 13,3 mm 13,5 mm zone de compression longueur 5,0 D 6,0 D zone de cisaillement longueur 2,0 D profondeur du filet 4,5 mm zone de décompression 1,0 D zone de décharge longueur 9,0 D 12,0 D profondeur du filet 7,1 mm 3,6 mm pas 1,0 D 1,0 D largeur du filet 12,0 mm 12,0 mm vitesse de rotation tours/mn 40 60 40 60 vitesse circonférentielle m/mn 11,3 17,2 11,3 17,2 débit Q kg/h 110 163 71 102 élévation de température OC 32 37 56 88 N/Q kwh/kg 0,215 O, 225 0,295 0,350 REVENDICATIONS I.- Procédé d'extrusion de matières thermoplas tiques à viscosité très élevée au moyen d'une boudineuse à une seule vis, caractérisé en ce que la matièreffiplastique est comprimée et préchauffée dans la boudineuse à une vitesse circonférentielIe de la vis supérieure à 15 m/mn, et après passage à travers une zone de compression elle est plastifiée brusquement, par le travail de cisaillement transformé en chaleur, dans une zone de plastification à faible profondeur du filet, dont la longueur est d'un huitième au maximum de la longueur de la vis, après quoi on la fait passer à travers une zone de décompression et ensuite dans une zone à filet profond de la vis ou la matière est relaxée, mélangée et homogénéisée sous une faible action de cisaillement. et finalement elle est déchargée l'apport total d'énergie à la matière à extruder par l'intermédiaire de la commande de la boudineuse étant 0 > 25 kWh/kg au maximum. 2.- Une boudineuse à une seule vis pour la mise en oeuvre du procédé de la revendication 1, caractérisée en ce que la vis est divisée en une zone d'alimentation, une zone de compression, une zone de plastification ou de cisaillement, une zone de décompression et une zone de décharge/ la longueur L de la vis étant de 15 à 30 fois le diamètre D de la vis, la vis ayant dans la zone d'alimentation une profondeur de filet constante de 0,10 à 0,22 D et une longueur de 0,20 à 0,40 L, dans la zone de compression une longueur de 0,10 à 0,30 L, dans la zone de plastification ou de cisaillement une profondeur de filet constante de 0,03 à 0,08 D et une longueur de 0,08 à 0,125 L, dans la zone de décompression une longueur de 0,02 02à 0,05 L et dans la zone de décharge une profondeur de filet constante de 0,08 à 0,125-D et une -longueur de 0,25 à 0,60 L. 3.- Boudineuse selon la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur L de la vis est de 20 à 25 fois le diamètre de la vis. 4.- Boudineuse selon la revendication 2, caractérisée en ce que la vis comporte, dans la zone de décharge, des éléments de mélange additionnels. 5.- Boudineuse selon la revendication 2, earac- térisée en ce qu'une soupape d'étranglement est montée entre l'extrémité du cylindre et le moule.