Brevet FR2301364A1 — publié le 19760917

La présente invention concerne tin procédé de fabrication de feuilles de faibles épaisseurs allégées en polymère thermoplastique par extrusion soufflage. Plus précisément élle concerne la fabrioation de feuilles par extrusion soufflage sans réception sur un mandrin, en utilisant comme porophore un agent d'expansion chimique tel que l'azodicarbonamide. Pour une meilleure délimitation du domaine de l'invention on se référera à la figure 1 des dessins annexés illustrant de façon très schématique un procédé général classique d'obtention d'une feuille par "extrusion soufflage". Sur cette figure : B: aene une extrudeuse. F : désigne une filière annulaire munie de ses Moyens de sou M age et d'évacuation d'air non représenté. B : désigne une "bouteille" ou "bull emprisonnée". P : désigne des rouleaux de pincement, et R : un rouleau de réception. Suivant ce procédé, l'extrusion par E de la matière thermoplastique forme un tube de relativement gros diamètre (de 30 cm à 2 mètres environ) à partir de la filière annulaire F. Ce tube émerge au diamètre nominal de la filière ; il est gonflé jusqu'au diamètre désiré ; il est pincé par les rouleaux d'entraînement P et, finalement, il est enroulé à plat sur le rouleau de réception R. Un tel tube gonflé est dénommé dans la technique "bouteille" ou parfois "bulle emprisonnée". B'utilisation dans la pré-sente description de l'un ou l'autre de des termes servira donc à désigner un tel tube gonflé On connaît déjà quelques techniques d'obtention de feuilles ou de films allégées mettant en oeuvre ce procédé par extrusion soufflage A la connaissance de la Demanderesse, la bouteille ou'bulle dans ces procédés est reçue en général sur mandrin, ce qui impose de changer de mandrin chaque fois que l'on veut changer de dimensions.-Par ailleurs, tous les procédés connus, tout au moins tels que décrits en détail , uti- lisent des agents dits ';;d'expansion physique" comme le pentane ou les hydrocarbures fluorés, ce qui exige l'utilisation d'une extrudeuse double vis ou de deux extrudeuse; mono vis permettant d'injecter ledit agent d'expansion, ce qui entrain un équl- pement coateux. Enfin, la température d'extrusion avec les agents d'expansion physiques est toujours relativement basse, de l'ordre de 104 à 107oc (voir l'ouvrage : Plastic Foams, part II, Kurt C.Frisch et James H Saunders 1973, p. 589), 13800 selon l'article de D.A. Senaus et P.H. Collins (Plastics engineering, février 1974, vol. 31XI, NQ 2, p. 36) ou tout au plus t45Q à t50 C comme indiqué dans le brevet français 72 39 591 (2 159 386) du 8/11/1972, dans le Oas du polystyrène. Ces températures relativement basses amènent facilement une irrégularité de l'épaisseur de la feuille, ce qui oblige à utiliser des organes de soufflage et de refroidissement compliqués pour corriger ces différences d'épaisseurs comme indiqué dans le brevet fran çais N0 2 159 386 précité. La présente invention ne présente pas les limitations et complications des techniques antérieures. Elle est caractérisée par l'utilisation d'un dispositif de soufflage d'air à haute vitesse sur la surface interne de la bulle d'extrusion avec évacuation des gaz de soufflage, drun dispositif de soufflage d'air à basse vitesse sur la surface externe de la bulle, appliquée à un polymère thermoplastique ou à un mélange de polymères thermoplastiques contenant une assez grande quantité d'agents de nucléation, de l'ordre de 5 % et une quantité inhabituellement élevée d'agents d'expansion chimiques (de tordre de 1 , dans le cas de l'azodicarbonamide) permettant d'atteindre une supersaturation en agent d'expansion de lrextrudat. Une telle composition permet l'extrusion, dans le cas du styrène, à des températures de ltordre de 190 à 200 C ce qui permet d'éviter les inconvénients rencontrés dans l'extru- sion soufflage à basse température. t'invention peut être réalisés à l'aide d'une extrudeuse monovis classique. Le dispositif d'extrusion-soufflage comprend, en plus de la filière, un organe de soufflage interne comportant des tuyaux d'amenée de gaz froids et au moins une tuyère d'évacuation. Avantageusement la canalisation d'évacuation est reliée à une pompe de dépression volumétrique. Quant au soufflage externe il peut ttre réalise par des dispositifs connus comme ceux que on troue en général sur les appareils du commerce destinés à l'extrusion soufflage. Des dispositifs de ce type sont connus depuis au moins 25 ans pour la fabrication de feuilles pleines, mais, à la connaissance de la Demanderesse, ils n'ont jamais été appliqués à la fabrication de feuilles ou de films allégées,' sans douze par suite de difficultés dans le cas des agents dexpan- sion physiques. Or, la Demanderesse a trouvé que, dans le cas du polystyrène et d'un agent d'expansion chimique dans les quantités indiquées plus haut, il était possible, non seulement de réaliser des feuilles allégées, mais encore d'obtenir facilement un régime stable, eettant à profit la fuite de gaz à travers les parois de la bulle.En effet, si on augmente la quantité d'air injecté, la bulle augmente de volume, ce qui augmente la fuite à travers les parois étant donné que cette fuite est sensiblement proportionnelle à la surface de la paroi. Ceci a pour conséquence qu'il est facile de maintenir une autorégulation et que des dispositifs d'asservissement complexes décrits dans le cas de ltextruslon soufflage de feuilles pleines ne sont pas nécessaires pour la feuille allégée. En d'autres termes, la quantité d'air injectée est relativement élevée et cet air doit entre évacué pour éviter l'éclatement de la bulle ou bouteille. il faut donc pou- voir contrôler avec précision la pression dans la bouteille, pression qui est une fonction de la quantité d'air injecté, de la quantité d'air évacué,de la quantité d'air diffusant au travers du film du fait de -sa porosité, de la température d'extrusion et de la fluidité de la matière polymère à cette température. Pour une température d'extrusion, une fluidité et un taux d'expansion donnés, on peut exprimer le débit d'air global (A) dans la bouteille par l'équation Â=D-d-f où D est le débit a'air injecté d est le débit d'air évacué, et f est le débit de fuite due à la porosité de la paroi de la bouteille. Soit alors "p" la pression d'air dans la bouteille, "P" la pression d'air sur la canalisation d'injection. Pratiquement, la canalisation d'évacuation est reliée à la pompe de dépression volumétrique (-750 mm Rg). Si on admet que la pression dans la bouteille reste légèrement supérieure à la pression atmosphérique, on en conclut que le débit d de la pompe volumétrique est constant. On peut admettre également que le débit D croit linéairement avec P ; (D-d) devisent alors positif lorsque la pression d'alimentation est supérieure à une valeur P1. Dès que (D-d) devient positif, la bouteille gonfle et la porosité de sa paroi croit rapidement. Le débit de fuite augmentant rapidement, le débit global A = D - d - f devient nul pour P = P2. Ce point de fonctionnement correspond à un état d'équilibre stable. En effet, P étant fixé à cette valeur - si le gonflement de la bouteille s'accroit, "f" augmente rapidement et le gonflement cesse - si le gonflement de la bouteille diminue, "f" diminue ce qui entraîne le retour du gonflement initial. La stabilité de 12 équilibre sera ainsi d'autant meilleure que P2 sera plus différent de P1. Par ailleurs, en insufflant plus ou moins dXair on peut obtenir une orientation transversale plus ou moins forte, l'orientation longitudinale étant réglée, bien entendu, par la vitesse des cylindres enrouleurs. En insufflant une quantité d'air relativement faible, on peut même obtenir des feuilles pratiquement mono-orientées. Comme indiqué, l1 invention est applicable à des polymères thermoplastiques. Elle s'est avérée particulièrement intéressante dans le cas du polystyrène ou de copolymères contenant du styrène. On utilisera avantageusement 3 à 5 % ou meme davantage d'une charge telle que le talc micronisé et 0,8 à 1,2 % en poids d'azodicarbonamide ou la quantité correspondante d'un autre porophore chimique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, faite en regard de la figure 2 annexée (qui est la re présentation en coupe d'une filière d'extrusion annulaire à alimentation latérale) et des exemples qui sont donnés ci-dessous à titre illustratif et nullement limitatif de l'invention. En se référant à cette figure, le polymère thermoplastique gélifié débité par l'extrudeuse (B) pénètre dans le canal dXal5mentation 1. Une grille de contre-pression permet dsdbtenir un débit de polymère régulier dans le temps ; seul le logement 2 de cette grille - apparaît en amont du canal 1. Le répartiteur à détentes multiples 3 transforme le jonc de polymère se trouvant dans le canal t en un tube ; il assure l'obtention dans la zone terminale de la filière d'un flux de matière poss- dans une vitesse uniforme sur toute la circonférence de l'entre fer 6 de la filière P.Cet entrefer est un passage annulaire limité par le poinçon 4 et le corps lui-mme 5 de la filière. L'organe de soufflage interne (dont les éléments ressortiront de la description qui va suivre) traverse le corps de la filière suivant l'axe d'extrusion. Il est solidaire du poinçon 4. L'air est admis sous pression à l'aide d'une connexion non représentée, dans l'espace 7 limité par les tubes concentriques 8 et 9 (débit D). Cet air passe successivement en 10, flt et 12 et émerge en 13 sur toute la circonférence de la pièce 15. L'orifice 13 est conçu de façon telle que la nappe d'air de soufflage frappe la paroi 14 de la bulle B de matière thermoplastique dès sa sortie de l'entrefer annulaire 6. La géométrie des passages 11, 12 et 13 est telle qu'elle permette d'obtenir en 13 une nappe d'air possédant une vitesse constante sur toute la circonférence de la pièce 15. Le tube 9 permet l'évacuation (débit "d") de la quantité d'air nécessaire pour l'obtention du diamètre de bouteille désiré en reliant ce tube 9 à une pompe de dépression volumétrique (non représentée). Lorgane de soufflage externe 16 est un appareil classique pour l'extrusion de films en polymèreSthermoplastiques massifs. La filière d'extrusion décrite ci-dessus possède avantageusement trois zones de chauffage (C1, C22 C;;). Tel que réalisé, ce dispositif permet d'obtenir un refroidissement brutal de la surface interne de la bouteille extrudée et ceci dès sa sortie de la filière. Dans les exemples qui vont suivre, on a utilisé dans l'appareillage d'extrusion - une vis monoétagée du type SD65-26D-162 de la Société SAMAFOR, ayant un taux de compression (Norme Européenne) égal à 3 et se caractérisant par - une zone d'alimentation à compression courte (longueur correspondant à 6 fois le diamètre) dont le taux de compression est de 1,13 - une zone de compression courte (longueur = 6 fois le diamètre) dont le taux de compression propre est de 2269 ; - une zone de pompage à diamètre de noyau constant sur 1 15,5 , 5 diamètres. La filière dtextrusion soufflage utilisée possède un diamètre de sortie de 94 mm et un entrefer de 0,6 mm. La quantité d'air injectée. dans la bouteille de cette façon est relativement élevée, de l'ordre de 10 m3/heure. Exemple I Avec l'appareillage décrit ci-dessus, on a utilisé la formule suivante - Polystyrène cristal contenant 2 % d'huile 70 parties en poids - Polystyrène choc à 10 % de polybutadiène 30 parties en poids -Antioxydant : "Irganox 1076" (Ciba) 0,06 partie en poids - - Lubrifiant : stéarate de zinc (EDCO) 0,140 partie en poids - Agent d'expansion : azodicarbona mide Genitron EPC vendu par la Société FISONS 1,0 partie en poids - Agent de nucléation : talc micro nisé de granulométrie moyenne 2,3 (stéamic des talcs de Luzenac) 5,0 partieS en poids Températures affichées sur l'extrudeuse : - corps entrée 148 C - ter corps central 180 C - 2ème corps central 18000 - corps sortie 185 C - filière 1ère zone 18000 2ème zone 180 C 3ème zone (lèvres) 188 C - température de la matière fon due mesurée dans la masse 192 C - Vitesse de rotation de la vis 48 tr/mn - D6bit horaire 36,8 kg - Débit d'air injecté dans la bulle 16 2 Xh - Débit d'air évacué par la cana lisation centrale 10 m/h - Vitesse de traction du film 16 m/mn - épaisseur du film 28/100 mm - Masse volumique 0,20 g/cm3 - Périmètre du film 82 cm - Taux de gonflage 2,8 - taux de rétraction : transversal 45 % longitudinal 50 % Exemole 2 Cet exemple décrit l'obtention d'un film pratiquement mono-orienté. On opère avec la même composition et avec le me appareillage que pour l'exemple 1. Températures affichées sur ltextrudeuse - Corps entrée 150 C - Corps central t 19700 - Corps central 2 17400 - Corps sortie 202 C - Filière 1ère zone 162 C 2ème zone 183 C 3ème zone (lèvres) 18500 - Température de la matière fon due mesurée dans la masse 195 C - Vitesse de rotation de la vis 32 tr/mn - Débit horaire 30 kg/h - Débit d'air injecté 11 m3/h - Débit d'air évacué par la cana lisation centrale 9 m/h - Vitesse de traction du film 11 m/mn - Epaisseur du film 32/100 - Masse volumique 0,28 g/cm3 - Périmètre du film 52 om - taux de gonflage 1,76 - Taux de rétraction : transversal 45 % longitudinal 5 % Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre purement explicatif et nullement limitatif et que toute modification utile pourra y être apportée sans sortir de son cadre tel que défini par les revendications ci-apres. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de feuilles minces en polymère thermoplastique allégé, caractérisé par le fait que l'on utilise dans un appareil dterkn3ion soufflage comportant un dispositif de refroidissement interne à grande vitesse de la bulle et possédant des tuyaux d'amenée et de sortie d'air pour le refroidissément de la surface interne de cette bulle ou boutei le, un dispositif de refroidissement externe à faible vitesse d'un type connu u en soi et dXun polymère thermoplastique contenant des quantités importantes de charges minérales et d'agents d' eiparr- sion chimioue. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on utilise une extrudeuse monovis. 5. Procédé selon la revendication I ou 2, caractérisé par le fait que le polymère thermoplastique est un polymère contenant du styrène. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le polymère est un homopolymère du styrène. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le polymère est un copolymère du styrène. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé par le fait que la charge est du talc micronisé. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé par le fait que l'agent d'expansion est l'azodicarbonamide. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé par le fait que le talc représente 3 à 5 s en poids par rapport au poids du polymère. 9. Procédé selon les revendications 7 ou 8, caractérisé par le fait que l'azodicarbonamide représente de 0,8 à 1,2 % en poids du polymère. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 9 caractérisé par le fait que lton règle la rétractibilité latérale de la feuille par le réglage du débit d'air injecté.