Brevet FR2255096A1 — publié le 19750718

On a récemment trouvé que les mélangeurs du type à action tourbillonnaire de grande intensité, tels que le mélangeur du brevet des Etats-Unis n 2 945 634, ainsi que loe mélangeurs appelés "mélangeurs tourbillonnaires à rotation rapide" et le mélangeur "Prodex-Henschel" décrits dans les brevets des Etats-Unis n 3 372 139 et 3 484 262, respectivement, convenaient pour mélanger des matériaux thermoplastiques sous forme particulaire. L'action intense et fortement énergétique que fournit ce type d'appareils de mélange entratne la production d'importantes quantités d'éner- gie thermique dues au frottement provoqué par les collisions fortement énergétiques et a l'enchevêtrement des particules se déplagant rapidement.La production de chaleur due au frottement dans la masse du contenu du mélangeur facilite grandement la prepara- tion de mélanges de particules de matières thermosplastiques avec d'autres ingrédients due la composition de mange tels que des agents de durcissement, des pigments, des charges,des agents diluants, des agents de conservation et d'autres agents.La chaleur due au frottement fournit cette amélioration en provoquant le ramollissement, ou même la fusion au moins de certaines parties su perficielles de particules thermoplastiques du melange-mère, et par suite en rendant leurs masses ou surfaces plus réceptives pour la combinaison avec d'autres ingrédients de mélange grâce à l'adhé- rence ou pénétration physique, fusion ou diffusion de ceux-ci. Par exemple, le brevet des Etats-Unis n 3 736 176 décrit ltutilisa- tion d'un mélangeur à action tourbillonnaire de grande intensité appelé ici "mélangeur lIenschel", pour-préparer un composé de polyoléfine durcissable en agitant les ingredients comprenant les granules de polyoléfine et l'agent durcisseur à des vitesses élevées afin d'engendrer de la chaleur par frottement des particules s'entremêlat et se heurtant dans le but de ramollir ou de faire fondre les surfaces du matériau polyoléfinique thermoplastiques et par suite de permettre et de faciliter la pénétration de l'agent durcisseur ou des autres ingrédients de mélange dans les granules de polyoléfines et leur diffusion. Cette invention concerne l'amélioration de mélangeurs du type à action tourbillonnaire de grande intensité, permettant de rendre plus efficaces et plus intéressants de tels appareils de mélange pour la préparation de mélanges de particules de materiaux thermoplastiques avéc d'autres ingrédients. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent, respectivement Figure 1, une vue en perspective, en partie écorchée d'un ap pareil de mélange à a action tourbilionnaire de grande intensite se- lon la présente invention, Figure 2, une vue en perspective d'un type de construction améliorée de rotor à pales selon la présente invention, Figure 3, une vue en coupe faite suivant la ligne 3-3 de la figure 2, Figure 4, une vue en perspective d'un autre type de construction amélioré de rotor '.1 pales, selon la présente invention, et Figure 5, une vue en perspcctive en partie en coupe, d'une autre construction selon la présente invention. La figure 1 représente sous forme simplifiée, un mélangeur 10 du type à action tourbillonnaire de grande intensité, de construction généralement similaire à l'appareil illustré plus en détail dans les brevets ds Etats-Unis n 2 945 634 et 3 736 173. Le mélangeur 10 comprend un récipient ou chambre de mélange 12 ayant une paroi latérale 14 et une paroi inférieure 16. De préférence, le récipient 12 est généralement cylindrique et disposé pratiquement verticalement comme illustré, et la paroi latérale 14 est généralement annulaire. On peut employer des pieds comme ceux représentés en 18 et 18', ou toute autre base appropriée pour supporter le récipient 1o. On peut aussi équiper le récipient 12 d'un couvercle adéquat (non representé). Un ou plusieurs rotors.à pales 20 se trouvent à l'intérieur du récipient 12, près de sa paroi inférieure 16, et sont montés sur un arbre ou axe d'entraînement 22 qui est, au cours du fonctionnement, raccordé à un dispositif d'entraînement adéquat tel que le moteur 24. Le ou les rotors à pales 20, pour les mélangeurs du type à action tourbillonnaire de grande intensité comportent habituellement un moyeu 28, qui peut titre monté sur un arbre d'entraînement tel que l'arbre 22, et ce moyeu comporte au moins une pale 30 disposée généralement de façon rsdialeb De préférence, le rotor à pales comporte un moyeu avec au moins deux pales radiales 30 et 30', comme le montrent les figures 1 et 2, à des fins d'équilibrage, mais il peut comporter trois pales radiales distinctes comme le montre la figure 4, ou quatre pales ou plus. Selon la présente invention, le bord frontal ou bord d'attaque de la (des) pale (s) 30, qui se trouve déterminé par le sens de rotation prévu pour le rotor et comme indiqué par la flèche sur les figures 1 et 2, comporte une face non profilée formée d'une surface pratiquement plate ou plan 32 faisant approximativement un angle droit avec le plan des axes longitudinal et transversal de la pale, et avec les surfaces adjacentes de la pale, comprenant par exemple la partie supérieure 34 et la partie inférieure 36, et aussi avec le plan de rotation du rotor. De plus, la surface plate ou plan 32 constituant la face non profilée occupe de pré férence pratiquement la totalité de l'épaisseur de la pale dans les constructions de rotor à pales classiques. Les appareils de mélange à action tourbillonnaire de grande intensité, tels que ceux décrits dans les brevets des Etats-Unis n 2 945 634 et 3 736 173, sont construits de façon que le rotor à pales ou les rotors à pales soient prochos de la partie infé- rieure du récipient 12, et aient une position cssentiellement bo rizontale, et que leurs plans de rotation s@ient générelement a rallèles à la patoi inférieure du récipient.Dans la présente invention, la face non profile ~tu bord d'att@que e la pal 30 se commpose d'une surface essentiollement plate ou plan 32 approximativement perpondiculaire à la paroi inférieure généralement horizontale du récipient, ct au plan de rotation du (des) rotor (s) ê pales 20. Afin d'obtenir un rendement optimal de la préparation de melanges de particules de matières thermoplastiques classiques, et pour éliminer la présence de zones ou poches d'agitation ou cire culation insuffisante et par suite obtenir une bonne homogénéité delaunasse mélangée, une partie importante de la ou des pales 70 du rotor 20 à au moins une pale doit se déplacer dans une zone prédéterminee proche de la paroi inférieure 16 de la chambre de mélange. Bar exemple, il est recommandé qu'une partie terminale extérieure de la ou des pales tournantes inférieures passe à une distanceed'environ 3mm à 9,5 mm au-dessus de la paroi inférieure lors de la préparation de mélange de matériaux avec des particules thermoplastiques relativement petites, et de préférence à une distance d'environ 4,8mm avec des particules de 3 à 5mm environ. Bien que la distance entre une partie d'une ou des pales de rotor et le fond de la chambre de mélange soit généralement un facteur varia ble dépendant de la taille des particules du matériau à mélanger, une distance appropriée correcte entre la pale inférieure balayant le fond du récipient et la paroi. formant le fond est, selon la présente invention, un facteur important pour obtenir une action rapile et complète. C'est pourquoi, la paroi inférieure du récipient de mélange d'un appareil de melange classique à action tourbillonnaire de grande intensité est généralement de forme pratiquement semi-cir @ulaire ou elliptique, ou arrondie à sa périphérie à sa jonction avec la paroi latérale, coimne décrit dans les brevets des Etats Uni n 2 945 634 et 3 736 173, afin de réduire la présence de coins formant des poches ou zones statiques, la ou les pales du rotor inférieur devant avoir la même courbure pour suivre ou être pratiquement parallèles à la forme du fond du récipient, comme le montra la figure 5. Par exemple, on peut incurver vers le haut, autre appr@ximativement la même courbure que le fond 16 du récipient, les extrémités extérieures 50 des pales 30 du rotor infé rieur. De plus* comme les extrémités extérieures ou périphériques des pales tournantes 30 des rotors se déplacent à des vitesses nettement supérieures a celles de leurs parties intérieures, et par suite réalisent ou fournissent@undegré proprotionnellement plus élevé d'action de mélange et d'interpénétration de grande intensité f't omtnuuSquent une plus grande nergle cinétique aux particules il est seulement nécessaire que la partie la plus extérieure du bord frontal ou d'attaque des pales 30 soit formée d'une surtace pratiquement plate ou pl.an 32 formant un angle essentiellement droIt avec les surfaces adjacentes telles que la face supérieure 34 et la face inférieure 36. En particulier, bien qu'il soit souhaitable que pratiquement toute la partie bord frontal ou d'attaque des pales soit profilée et dans la mesure où sa partie la plus intérieure ne fournit qu'une fraction relativement faible de l'action et de l'énergie de mélange, on peut choisir pour les pales une configuration quelconque pourvu que les parties les plus extérieures des pales aient la configuration requise selon la présente invention. Le rotor à pales 38 pour mélangeurs à action tourbillonnaire de grande intensité, représenté sur la figure 4, illustre judicieusement l'importance de ce qui précède. Le rotor 38 comprend un mo yeu 40, qui est la partie centrale d'une roue ou anneau plus grand 41 qui, à son tour, supporte une ou plusieurs -pales, relativement courtes, disposées radialement, telles que les pales 42, 42' et 42"@ Il faut noter que cette construction, comme dans le cas de la construction de la figure 2, peut comporter un nombre quelconque de pales 42. Cependant, lR bord frontal ou d'attaque de chaque pale 42 dé terminé par le sens de rotation ou du moins une partie importanta de son- extrémité- extérieure, comporte une face émoussée formant une surface plate ou plan 44, orientée pratiquement à angle droit par rapport aux surfaces adjacentes de la pale, telles que la faces supérieure 46 et la face inférieure 48. Bien que l'on ait representé sur la figure 7 l'arbre d'entraI- nement 22 qui supporte le rotor 20 comme se prolongeant vers le haut à travers la paroi inférieure 16 @@ la chambre de mélange 12, ce qui constitue généralement la disposition la plus pratique, la présente invention concernant le bord d'attaque non profilé amé- liore des pales de rotor s'applique aux melangeurs à action tourbillonnaire de grande intensité équipes d'autres systèmes pour supporter et entratner les rotors tels que, par exemple, un arbre dten tratnement 22 partant d'au-dessus de l'appareil 10 et se prolongeant vers le bas à l'intérieur du recipient 1Z; comme représenté sur la figure 5. On peut disposer un tel arbre d'entratnement o-rient vers le bas 22 de façon qu'il traverse une paroi superieure ou couvercle du récipient 12, le rotor 20 étant suspendu à la distance recommandee, mentionnée ci-dessus, de la paroi inférieure 16 du récipient. Il faut remarquer que la présente invention est applicable à pratiquement tous les montages ou conceptions d'appareils de mélange à action tourbillonnaire de grande intensité, utilisant des rotors avec des pales radiales. Les exemples suivants montrent les réductions de durée que permet d'obtenir l'appareil améliore de la présente invention par rapport à un dispositif de mélange comparable de la technique antérieure. Dans ces exemples comparatifs, on a déterminé l'achèvement des cycles de mélange et leur durée en faisant appel à la puissance électrique, ou charge ou consommation de courant du moteur électrique entratnant le dispositif de mélange. Une variation brutale, ou pointe, de la consommation de courant pour les moteurs des mélan ours à action tourbillonnaire de rade intensité, correspondant à l'apparition de modifications des carctéristiques ou de la cons titution physique de la masse des au mélange des ingrédients de cell@-ci est un phénomène bien conun que l'on utilise couramment pour indiquer un degré particulier de l'état de mélange des in grédients, comme décr@t dans les brevets d@d Etats-Unis n 3 372 139 et 3 736 173. L'apparition de ce phènomène et sa rela tion avec la puissance électrique constituent un guide plus précis et efficac@ pour déceler el détermine@ l'attcinte d'nn degré par ti@ulior de l'état de mélunge et l'achèvement du cycle de mélange ou un point final, plat@t qu'un exam@p subjectif de l'action de mélange ou du produit obtenu.De pAus, la fiabilit6 et l'utilisa tion de cette mesure plus préelse foudée sur la charge ou consomma tion d'énergie pour déterminer un point final particulier ou l'a chtvetnent ad@quat d'une opération de mélange éliminent tout bras sage excessif Lnutile ou une dégradation de la masse due à une prolongation excessive de l'opération. Dans tous les cas des exemples suivants, on a estimé que le cycle, ou période, de mélange était achevé et terminé 35 secondes après le minimum observé à la suite d'une pointe maximale de la consommation de courant, du moteur. Le mélangeur est utilisé pour la préparation de chaque essai est an Prodex Henscllel, modèle 35JSS avec un récipient de mélange d'une capacité d'environ 13,6 litres, construit selon la présente invention. Le mélangeur comporte deux rotors à pales sur l'arbre d'entraînement, le rotor inférieur cst du type hélice avec deux parties transversales se trouvant à cnviron 1,6mm du fond du ré cipient. Le rotor supérieur est aussi du type hélice à deux pales. Les deux rotors tournent i une vitesse élevée d 1400 t/mn ou à une vitesse périphérique de 39 m/s, OU à une faible vitesse de 700 t/mn ou à une vitesse périphérique Cie 19,5 m/s, comme spécifié Dans tous les essais, la lame déflectrice ou chicane du melangeur Henschel se trouve à X,7 mm de la paroi latérale et à 17cm du fond (partie classique de ce type de mélangeur, comme décrit dans le brevet des Etats-Unis n 3 736 173, pour guider l'écoulement des ingrédients à l'entrée.) La composition pour chaque essai, exprimée en partie en poids est Polyéthylène (basse densité) pastilles de 3 à 4mm de diamè tre environ - 100 parties, Charge d'argile (calcinée) - 50 parties Noir de carbone - 5 parties Antioxygène-polytriméthyldihydropuinoline (Flectol H-Monsanto) - 1,75 partie. Dans certains exemples, on traite la charge d'argile avec 0,5 partie en poids de tetranière oe méthylsilicone, selon le brevet des Etats-Unis n 3 148 169, ou avec 1,5 partie en poids de vinylsilane. Le mode operatoire pour toutes les operations de melange à la fois des éssais étalons et des exemples de la présente invention, consiste en l'introduction initiale de tous les ingrédients excepté le tétramère de méthylsilicone ou le vinylsilane, suivis par le mélange continu à la vitesse élevée de 1400 t/mn jusqu'à Ja.fin de la période Ci mélange. Dans les cas où on traite la chars ge d'argile soit par un tétramère de méthylsilicone soit par d vinylsilane, on ajoute ces agents soit au départ avec les autres ingrédients de départ, soit après une courte période de mélange de 3 ou 6 minutes,tel qutil est indiqué.Quand on ajoute ces agents de traitement pendant le cycle de mélange, on réduit la vitesse du mélangeur à la vitesse faible de 700 t/mn, pendant 30 secondes exactement, période pendant laquelle On introduit l'agent de traitement dans la charge. Les rotors standard dans les exemples, comportent des pales ayant des bords d'attaque biseautés, à arbre aigue sur toute leur longueur, les bords étant constitués de deux plans formant un angle interne d'environ 4v et formant un angle externe obtus de. 157.5 avec les surfaces adjacentes (supérieure et inférieure) des pales. Selon la présente invention, le bord d'attaque du mélangeur à action tourbillonnaire de grande intensité pour les essais est une partie à face non profilée s'étendant tout le long de la pale, constituant une surface plate à angle droit (900) avec les surfaces adjacentes (supérieure et inférieure) des pales. On donne dans les exemples suivants les durées des cycles de mélange pour plusieurs essais identiques avec les rotors du type standard et le rotor non profilé de la présente invention. Dans les essais standard A et B et dans les exemples 1,2 et 3, le chargement comprend du polyéthylène, une charge d'argile, du noir de carbone et l'antioxygène; le cycle de mélange est entièroment réalisé en continu à la vitesse élevée de 1400 t/mn. Les cycles de mélange mesurés correspondaient aux temps donnés Mélangeur à rotor standard Mélangeur à rotor non profilé Standard A - 11 minutes Exemple 1 - 9 minutes - B - 10 minutes Exemple 2 - 9 minutes Exemple 3 - 8,5 minutes Les essais étalons avec le mélangeur à rotor standard n'ont pas donné de pointe d'énergie différente de celle obtenue lors des essais avec le mélangeur à rotor non profilé de la présente invention. Cependant, dans chaque cas, on a trouvé satisfaisants le degré de mélange atteint ainsi que le degré d'homogénéité. On a aussi réalisé une longue série d'essais dupplémentaires utilisan@ le rotor à bord d'attaque non profilé du nouvel appareil selon la présente invention, dans les mimes conditions, sauf que l'on introduisait 0,5 parties en poids du tétramère de méthylsilicone mentionné ci-dessus ou 1,5 part en poids de vinylsilane pour traiter la charge d'argile selon les compositions établies. On ajoutait le tétramère de silicone ou le vinylsilane comme. in-Jiqué dans les exemples. Pour ces essai3 on a fabriqué le rotor à bord d'attaque non profilé à partir du rotor à bord d'attaque standard à arête, en déposant du métal sur la partie biseautée des bords d'attaque et en meulant pour obtenir une surface d'attaque plate à angle droit avec les surfaces adjacentes supérieure et inférieure, Mélangeur à rotor non profilé Exemple 4 (vinylsilane ajouté à 3mn) - 8,5 mn - 5 (vinylsilane ajouté au débùt) - 8,5mn - 6 (vinylsilane ajouté à 6 mn) - 8,5mn - 7 (tétramère de silicone ajoute à 3mn) - 8,5 mn - 8 (tétramère de silicone ajouté au début) - 9,5 mn - 9 (vinylsilane ajouté au début) - 8.0mn Afin d'avoir un elément de comparaison avec ce qui précède on a effectué un essai en ajoutant 0,5 partie en poids du tétramère de silisone comme dans les exemples.7 et 8 en utilisant des bords d'attaque à biseau arrondi relativement aigu. Dans cet essai, une période du cycle de mélange de 12,5mn n'a pas produit de pointe de puissance décelable, et l'on trouvait la charge non mélangée à l'e- tat libre dans la masse finie. R E V E N D I C A T I O N S f - Mélangeur & action tourbillonnaire de grande intensité pour préparer des melanges de particules de matières thermoplastiques, caracte-risé en ce qu'il comprend un récipient de melange ayant des parois inférieure et latérale, et un rotor disposé au voisinnage de la paroi intérieure du récipient et comprenant un moyeu muni d'au moins une pale dont le bord d'attaque non profi- lé est constitué par une surface pratiquem3nt plate faisant approximativement un angle droit avec le plan d rotation du rotor. 2 - Mélangeur selon la revendication 1, caractérisé. en ce que le roter comportc au moins deux pales se prolongeant vers l'ex- térieur à partir du moyeu. 3 - Mélangeur a action tourbillonnaire de grande intensité pour préparer des me langes de particules de matières thermoplas- tiques, caracterisé en ce qu1 il comprend un récipient de mélange ayant une paroi inférieure et une paroi latérale cylindrique, et au moins un rotor comportant un moyeu montée sur un arbre d'entraî- nement traversant la paroi inférieure du récipient, ce moyeu étant muni d'au moins deux pales se prolongeant vers l'extérieur à par- tir du moyeu, et disposées de façon adjacente à la paroi inférieu- re du récipient, les pales iyant un bord d'attaque non profil constitué par une surface essentiellement plane formant un angle pratiquement droit avec le plan de rotation du rotor. 4 - Mélangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'au moins deux rotors sont montés sur l'arbre d'entraînement. 5 - Nélangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce. que les pales du rotor se trouvent à une distance de 3mm à 9 mm entre ron de la paroi inférieure du récipient. 6 - Mélangeur à action tourbillonnaire de grande intensité pour préparer des mélanges de particules de matières thermoplas- tiques, caractérisé en ce qu'il comprend un récipient de mélange ayant une paroi inférieure généralement horizontale et une paroi latérale cylindrique généralement verticale, un arbre d'entraîne- ment traversant la paroi inférieure du récipient et un rotor comportant un moyeu monté sur ledit arbre à l'intérieur du récipient et ayant au moins deux pales de brassage orientées radialement vers l'extérieur à partir du moyeu adjacent et essentiellement parallèle à la paroi inférieure du récipient les pales ayant des bords attaque non profilés constituant une surface pratiquement plane faisant un angle pratiquement droit avec le plan de rotation du rotor. 7 - Nélangeur selon la revendication 6, carctérisé en ce que les surfaces pratiquement plates constituant les bords d'attaque non profilés de la pale du rotor sont approximativement verticales et perpendiculaires à la paroi Iii?érioure du récipient. 8 - Mélangeur selon la r@vondication 7, caractérisé en ce qu'au moins deux rot@rs sont montés sur l'arbre d'entraînement. 9 - Mélangeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les pales de r@tor se trouvent à environ 9zm au-dessus de la paroi inférieure du récipient. 10 - Mélangeur ù action tooubi@lonnaire de grande intensité pour préparer des mélanges de particules de matières thermoplas tiques avec d'autres ingrédients, caractérisé en ce qu'il comprend un récipient de mélange ayant une paroi inférieure généralement horizontale et une paroi latérale cylindrique généralement verticale, tM arbre d'entratnement pratiquement vertical traversant la paroi inférieure du récipient, et au moins un rotor comportant ùn moyeu monte sur- l'arbre à l'intérieur du récipient et ayant au moins deux pales de brassage orientées radiaiement vers l'ex- térieur à partir du moyeu, situées à une distance d'environ 5mm de la paroi inferieure, et dont le plan de rotation est essentiellement parallèle à la le paroi inferieure, les pales ayant des bords d'attaque non profiles constitués par une surface plate essentiellement verticale et esscntiellement perpendiculaire à la paroi inferieure g@néralement horizontale.