Brevet FR2374152A1 — publié le 19780713

La présente invention concerne un procédé de fabrication de matières plastiques expansibles à coeur alvéolaire et couche extérieure entourant celui-ci, dans lequel une matière thermoplastique expansible contenant un agent gonflant est injectée sous forme d'une charge dans la cavité d'un moule, le volume de cette charge étant inférieur au volume de la cavité du moule. Il est connu de fabriquer des pièces moulées ayant un coeur alvéolaire et une couche extérieure recouvrant ou entourant celuici, que l'on appelle pièces composites ou éléments sandwich, en plaçant dans des moules appropriés des couches planes ou gauches en matières thermoplastiques et en provoquant une expansion derrière ces couches. On introduit, dans ce cas, dans le moule, soit un produit intermédiaire expansible ouurAe6xuche en matériau alvéolaire en même temps que la couche extérieure préformée ou défor mable,ou bien on introduit d'abord les couches dans le moule, après quoi on introduit ensuite sous pression dans l'intervalle de protection entre les couches/, un mélange réactionnel liquide expansible.Ceci présente cependant l'inconvénient que la fabrication des pièces composites alvéolairesa; & éléments sandwich doit être réalisée par des opérations successives, les couches externes étant confectionnées en général tout d'abord au moyen d'outillage ou moule spécial, puis devant ensuite être introduites dans le moule de formage, avant de réaliser l'opération d'expansion proprement dite. Plusieurs moules sont ainsi nécessaires et, en outre, les durées des cycles sont très longues, de sorte que la rentabilité par elle-même relativement élevée qu'on pourrait atteindre avec le moulage par injection ne peut, d'après cela, être atteinte. Il est en outre connu de réaliser par moulage par injection des objets de structure sandwich à partir d'une peau en une matière plastique qui entoure un coeur en une matière plastique irrégulière expansée. Les matières plastiques sont injectées successivement en deux ou plusieurs charges par une ouverture d'alimentation commune dans une cavité de moule. Avec ce procédé, le volume de la première charge est inférieur au volume de la cavité du moule, de sorte que la deuxième charge de matière injectée contenant un agent gonflant et chacune de celles qui la suit pénètre dans la première charge de matière ou la précédente, et provoque la dilatation de la première charge de matière qui l'entoure. De plus, la masse volumique du coeur est très élevée.Enfin, un autre inconvénient de ce procédé connu consis te en ce que la masse volumique du noyau expansé et I'épaisseur de la peau compacte extérieure de tels objets ne sont -guère ajustables, c'est-à-dire qu'une augmentation intentionnelle de la mas-se volumique dans des zones partielles, par exemple dans les zones les plus fortement sollicitées de ces objets n'est guère possible. Un des objets de la présente invention est de simplifier la réal48ation des pièces moulées en une matière thermoplastique expansible contenant un agent gonflant, en particulier de pièces moulées à parois épaisses avec un coeur alvéolaire et une couche extérieure entourant ce dernier et, en même temps, de réaliser des pièces moulées plus résistantes avec un domaine d'utilisation plus étendu. Cet objet est atteint selon l'invention avec un procédé de type décrit plus haut, dans lequel, pendant et/ou après l'introduction de la matière plastique plastifiée dans la cavité du moule, on introduit dans cette matière un fluide gazeux sous une pression qui est au moins égale à la pression de l'agent gonflant à la température régnant dans cette cavité ; la matière plastique se déformant sous l'action de la pression du gaz et la cavité du moule étant détendue dès que la couche extérieure est complètement formée. Grace à ces mesures, on peut réaliser dans un moule d'une manière particulièrement économique des pièces moulées à parois épaisses. De plus, un autre avantage est la technique de traitement simplifiée, car une seule unité de plastification est nécessaire pour la totalité de la masse de matière plastique fondue. Par conséquent les dépenses de premier établissement et de fonctionnement sont nettement inférieures par rapport aux procédés connus. Selon une autre caractéristique de l'invention, on introduit un fluide gazeux ou liquide dans la cavité du moule avant l'introduction de la matière thermoplastique expansible contenant un agent gonflant. On peut ainsi régler facilement la vitesse d'écou aue lement et la pression de la matière plastifiée, ce qui vitesse de remplissage est facile e adapter aux conditions existantes. Par ailleurs, la pression de la matière plastique plastifiée dans la cavité du moule peut être choisie suffisamment élevée pour réaliser une reproduction particulièrement satisfaisante de la forme de la surface intérieure du moule sur la surface protectrice des pièces moulées, tout en pouvant éviter en plus la formation de stries.Le gaz ou le liquide est introduit avantageusement par plusieurs conduits d'amenée dans la cavité du moule ou dans la matière plastique plastifiée à l'intérieur de la cavité du moule par exemple par le canal de carotte et par plusieurs buses ainsi que, en particulier, par l'intermédiaire de buses ou de fentes ménagées dans le plan de joint du moule aux extrémités des voies d'écoulement dans la cavité du moule. Dans un mode de mise en oeuvre particulièrement avantageux du procédé selon l'invention, après formation partielle de la couche protectrice à partir des extrémités d'écoulement, on intro une duit dans la cavité du moule un fluide gazeux sous/pression qui est supérieure à la pression dans la matière plastifiée, et les régions de cette cavité en amont de l'extrémité d'écoulement sont détendues ou en partie détendues dès que la couche extérieure s'est formée davantage.Cette opération peut être répétée plusieurs fois. Lors de chaque augmentation de pression en amont des extrémités d'écoulement, la matière plastique plastifiée est à nouveau poussée dans la cavité du moule et il se produit alors dans tout ou partie de la pièce moulée, une nouvelle formation de couche extérieure. Il est ainsi possible de régler l'épaisseur de cette couche ainsi que la masse volumique du noyau alvéolaire dans certaines zones, par exemple dans des zones plus fortement sollicitées de la pièce moulée. Il en découle la possibilité, pour ces pièces moulées, d'applications très étendues, par exemple pour des sièges, des éléments d'armoires, des matériaux d'emballage ou des accessoires pour automobiles. Pour éviter les joints de collage derrière des passages et pour améliorer les surfaces des pièces moulées réalisées selon l'invention, en particulier pour la production d'un effet de brillant sur les surfaces, on peut de plus chauffer le moule pendant un court instant et tout au moins en partie avant, pendant et/ou après la détente de la cavité du moule. Par le procédé selon l'invention, on peut réaliser des pièces moulées en matières thermoplastiques expansibles contenant un gonflant, en particulier des pièces moulées à parois épaisses avec un coeur en matière alvéolaire et une couche externe entourant celui-ci, en pouvant faire varier dans une large mesure l'épaisseur de la couche externe. Pour les applications les plus fréquentes, l'épaisseur de la couche externe varie entre 0,2 et 5,0 mm.Cette couche peut être réalisée aussi bien en matières plastiques très compactes, c'est-à-dire en matières plastiques qui sont traitées de manière que l'agent gonflant ne puisse subir une expansion ai contact de la paroi du moule de formage, même s'il s'agit de matériaux alvéolaires presque compacts ayant une 3 masse volumique atteignant jusqu'à 0,5 g/cm3. Pour le coeur en matériau alvéolaire réalisé en une matière plastique identique, mais expansée, on peut régler la densité entre environ 0,05 g/cm3 et celle d'une matière presque compacte.Le coeur en matériau alvéolaire peut avoir sur toute sa section une structure uniforme, à cellules fines ou grossières; mais il-est également possible de former côte-à-côte des domaines de structure et de masse volumique différentes et en outre de ménager à l'intérieur du coeur une ou plusieurs cavités. Le procédé selon l'invention convient d'une manière très générale pour le traitement de matières plastiques, par exemple pour les polymères d'oléfines telles que le polyéthylène ou le polypropylène; les polymères du styrène comme le polystyrène ou les copolymères du styrène par exemple avec l'acrylonîtrile; les polymères contenant du chlore comme le polychlorure de vinyle, le polychlorure de vinylidène ou les polyoléfines chlorées, les polyamides, le polyméthacrylate de méthyle, les polycarbonates et les mélanges de ces polymères. Les matières plastiques à traiter contiennent un liquide réparti de façon homogène, qui joue le rôle d'agent gonflant quand on chauffe la matière plastique, ou bien on utilise des mélanges de matières thermoplastiques et de substances ou de mélanges de substances qui se décomposent aux températures de traitement avec formation de gaz. On peut citer, comme exemples d'agents gonflants appropriés dégageant des gaz, le bicarbonate d'ammonium, le bicarbonate de sodium ou également des mélanges de ces composés avec des acides organiques, ainsi que des composés azolques tels que l'azodicarbonamide ou encore les composés nitreux et les dérivés de l'hydrazine.De plus, on peut aussi prendre en considération des agents gonflants physiques, tels que l'azote, le pentane ou le monofluorotrichlorométhane et le difluorbdic##lorométhane, qui sont incorporés dans la matière plastique, ou introduits dans la masse fondue par injection directe de gaz. Le choix de l'agent gonflant est déterminé tout d'abord par la température de traitement des matières plastiques. Leur proportion est comprise en général entre environ 0,05 et 10 % en poids, rapporté au poids total de la matière. Dans la zone de plastification d'une machine d'injection, par exemple dans une extrudeuse, on traite des granulés de matière plastique contenant un gonflant, ou on répartit cet agent de ma- nière homogène dans une masse fondue de matière plastique et on l'injecte par un canal de carotte dans la cavité d'un moule. Le volume de la charge est, dans ces conditions, inférieur à celui de la cavité du moule. L'interruption de la communication entre l'extrudeuse et le canal de carotte ou le moule est réalisée de préférence par des buses à obturation. En ce qui concerne ces dernières on peut utiliser, en particulier, celles à aiguille de fermeture, dont la fermeture est commandée par la force de rappel d'un ressort ou d'autres méthodes par exemple hydrauliques et, le cas échéant, par commande automatique.Nais on peut aussi mettre en place des organes itarrêt sur le moule ou à l'intérieur du moule. Pendant et/ou après l'introduction de la matière plastique plastifiée dans la cavité du moule, on introduit dans cette matière un fluide gazeux, de préférence par la ou les entrées d'injec- tion ou les canaux de carotte du moule ou encore les buses ou aiguilles d'injection, qui sont placées en général à proximité de la carotte ou des carottes du moule ou de l'extrémité d'écoulement. I1 est particulièrement avantageux d'introduire le gaz dans la masse fondue, quand une certaine quantité de matière plastique plastifiée est déjà parvenue dans la cavité du moule. En ce qui concerne les fluides gazeux selon l'invention, on peut utiliser en particulier les gaz inertes ou gaz rares, l'azote et pour des raisons économiques l'air. Dans certains cas, on peut aussi utiliser des liquides peu visqueux, ainsi que la vapeur d'eau. Ces fluides sont introduits sous une pression qui est au moins égale à celle de 1' agent gonflant à la température régnante et refoulent la matière plastique jusqu'aux extrémités d'écoulement de la cavité du moule. Pendant le remplissage du moule, la circulation de la matière plastique plastifiée et du gaz est commandée au moyen de dispositifs connus, de manière à créer dans la cavité du moule les conditions d'un QcouleSent laminaire. les conditions optimales peuvent facilement titre déterminées par des essais préliminaires simples0 Dès que la couche extérieure est complètement formée, la cavité du moule est détendue. Suivant la structure alvéolaire désirée dans le coeur de la pièce moulée et en fonction de la matière plastique et de l'agent gonflant utilisés, ainsi que de leur dosage et de la forme de la pièce moulée, la détente est réalisée, soit immédiatement après le remplissage du moule, soit seulement un certain temps après, au bout de moins de cinq minutes comme l'indique l'expérience.Cette opération peut aussi être réalisée à l'extérieur de la machine de transformation. Pendant la détente, l'agent gonflant réparti de manière homogène dans la matière plastique réagit et la cavité produite à l'intérieur de la masse fondue se remplit de matériau expansé, ctest-à-dire qu'il se produit une expansion de la matière plastique ou du matériau alvéolaire à partir de la paroi de la pièce moulée en direction de l'intérieur. On a observé de plus qu'un laminage du gaz qui sort, par conséquent une détente commandée, peut être avantageuse pour la formation de la structure alvéolaire. Pour éviter des pertes d'agent gonflant pendant l'injection de la matière plastique plastifiée dans la cavité du moule, ce qui peut faire descendre la teneur en agent gonflant, dans certaines circonstances, au-dessous d'une valeur limite, ce qui peut avoir des effets fâcheux, en particulier dans le cas de coeurs alvéolaires de dimensions relativement grandes, il est possible d'introduire un gaz ou un liquide dans la cavité du moule, avant la mise en place de la matière thermoplastique expansible plastifiée. En opérant ainsi, la matière plastique est guidée, pendant le remplissage du moule, entre deux coussins de gaz ou un coussin de gaz et de liquide et inhibe à ce stade le processus d'expansion. On suppose toutefois que la cavité du moule peut être obturée par exemple au moyen de garnitures d'étanchéité élastiques aux surfaces de séparation du moule - d'une manière très étanche aux gaz. Une pression doit être appliquée par le gaz dans la matière plastifiée, pression qui est supérieure à la pression de l'agent gonflant à la température régnante et qui de plus peut surmonter les résistances à l'écoulement pendant la formation de la couche extérieure. Le gaz ou le liquide chassés par la matière plastique pendant la réalisation de la pièce moulée parviennent le plus souvent par des clapets limiteurs de la pression à l'extérieur de la cavité du moule. On peut réaliser de cette manière des pièces moulées particulièrement légères, car les pertes d'agent gonflant peuvent être à peu près complètement évitées. En outre, on réalise aussi une reproduction particulièrement satisfaisante de la surface du moule. Pour la réalisation de pièces moulées à parois épaisses,ellpa# ticulier de pièces moulées dont la couche protectrice a une épaisseur supérieure à environ 1,5 mm, on peut alors après réalisation sous une épaisseur encore insuffisante de la couche externe, en amont des extrémités d'écoulement, choisir une pression des fluides introduits, ou à introduire, suffisamment élevée pour que la matière plastifiée à l'intérieur de la pièce moulée soit à nouveau refoulée. Le gradient de pression ainsi produit provoque un transport uniforme de la matière plastique plastifiée au-dessous de la peau de cette matière plastique solidifiée.Cette opération de création d'un gradient de pression entre différentes zones de la cavité du moule de façonnage ou dans la masse fondue - comme par exemple à l'extrémité d'écoulement et au voisinage de la carotte - peut être répétée plusieurs fois en agissant sur la pression des fluides introduits. Il se forme alors plusieurs couches qui se soudent en formant une couche protectrice. Il est également possible de faire varier par ce moyen la masse volumique du coeur alvéolaire.Dès que l'épaisseur désirée de la couche extérieure et/ou la masse volumique souhaitée du coeur sont atteintes, par exemple dans des zones élémentaires, la pression en amont de ltextrémité d'écoulement est réduite et les gaz ou les liquides sont chassés en partie ou en totalité de la cavité du moule par la pression de 11 agent gonflant contenu dans la matière plastique et en expansion. Pour obtenir une nouvelle amélioration de la surface des pièces moulées réalisées selon l'invention, il peut être avantageux dans certaines circonstances, d'élever pendant des cycles courts la température des parois du moule et ensuite de l'abaisser immédiatement. Des valeurs rationnelles pour les températures maximales du moule agissant pendant un court intervalle de temps sont celles qui sont - aussi bien - nettement supérieures que nettement inférieures à la température de solidification des matières plastiques en cours de traitement .Les températures convenant de préférence pour les thermoplastiques amorphes sont comprises entre 300C au-dessous et 30'C au-dessus de la température de ramollissement de VICAT (selon la norme DIN 53 460) ou, pour des ther moplastiques partiellement cristallins, des températures comprises entre 600C au-dessous de la température de fusion et 200C audessus. Les changements de température de la surface du moule de façonnage peuvent intéresser aussi bien une moitié de ce moule que ses deux moitiés, ou seulement des zones élémentaires d'une moitié dudit moule. EXEMPLE 1 On utilise pour la fabrication de palettes un polyéthylène haute densité d'une masse volumique de 0,950 g/cm3 (mesurée à 230C) et un indice de fusion (1,90 mm/2,16 kg) de 3,4 à 4,6 g/10 mn; on ajoute à cette matière plastique 0,8 % en poids d'azodicarbonamide servant d'agent gonflant et 0,3 % en poids d'oxyde -de zinc servant d'activant. Avec le mélange plastifié chauffé à 1750C mais non encore expansé, le remplissage de la cavité du moule est réalisé en 14 secondes, contre une pression d'air de 15 bars.La température du moule est de 200C. Immédiatement après, on introduit, par le canal de carotte du moule, de l'air sous une pression de 20 bars dans la masse fondue contenue dans ce moule, grâce à quoi cette masse fondue arrive en écoulement laminaire jusqu'à l'extrémité d'écoulement de la cavité du moule et en même temps, l'air se trouvant en avant du front d'écoulement de la masse fondue, au-dessus du plan de joint du moule, est déplacé. Au bout de 15 secondes, de l'air est introduit dans ce moule ou dans la pièce moulée sous une pression de 25 bars par l'intermédiaire de buses placées à l'extrémité de la voie d'écoulement qui dépasse dans la cavité du moule.Au bout d'encore 30 secondes, l'air comprimé à l'intérieur de la pièce moulée est envoyé et dirigé non laminé sur l'atmosphère extérieure, l'agent gonflant dans la masse fondue non encore solidifiée se détendant audessous de la peau solidifiée des pièces moulées et acquérant la structure alvéolaire. Les palettes de cotes principales et 850 x 450 x 100 mm/d'épaisseur de parois de 25 mm, sont démoulées au bout de 3 mn et refroidies dans un bain d'eau. EXEMPLE 2 Des enceintes de haut-parleurs de cotes principales 450 x 350 x 250 mm et d'épaisseur de parois de 20 cm sont confectionnées en ABS (copolymère styrène-acryloni tri le modifié par un caoutchouc) contenant un- gonflant,d'une température de ramollissement Vicat de 986C (mesurée dans une huile de silicone sous une charge de 5 kg.f) et un indice de fusion de 10 mn pour 7 gf. Cette matière plastique contient 2,5 % en poids de bicarbonate de sodium NaHCO3) jouant le rôle de gonflant. Avec le mélange plastifié, non encore expansé, chauffé à 185 C, la cavité du moule est remplie à 40 % en 16 secondes, contre une pression d'air de 20 bars. Immédiatement après, par des buses qui dépassent dans la cavité du moule à proximité des canaux de carotte, on introduit dans la masse fondue de l'air sous une pression de 25 à 30 bars, cependant quten même temps l'air présent sur le front d'écoulement de la masse fondue au-dessus du plan de joint est déplacé et toutes les surfaces de façonnage du moule sont recouvertes par la masse fondue. On abaisse en même temps la température du moule et, après 10 secondes, l'air comprimé à l'intérieur du moule fermé de la pièce moulée est envoyé, laminé, dans l'atmosphère extérieure, de sorte que la structure alvéolaire apparaît au-dessous de la peau solidifiée de la pièce moulée. La durée d'un cycle est d'environ 2,5 mn. Les enceintes de haut-parleur ont au-dessous d'une peau lisse très mince, une structure alvéolaire de faible densité. R; E V E N D I C A T I O N S 1.- Procédé de fabrication de pièces moulées à coeur alvéolaire et couche extérieure entourant celui-ci, dans lequel on injecte une matière thermoplastique expansible contenant un agent gonflant sous forme d'une charge dans la cavité d'un moule, le volume de cette charge étant inférieur au volume de la cavité du moule, caractérisé par le fait que, pendant et/ou après l'introduction de la matière plastique plastifiée dans la cavité du moule, on introduit dans la matière plastique plastifiée, un fluide gazeux qui est sous une pression au moins égale à celle de l'agent gonflant à la température régnant dans cette cavité, la matière plastique se déformant sous l'action de la pression du gaz et la cavité du moule étant détendue dès que la formation de la couche extérieure est terminée. 2.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel, avant l'introduction de la matière thermoplastique expansible contenant un aqent gonfItfit-,oh introduit un fluide gazeux liquide dans la cavité du moule. 3.- Procédé selon l'une des revendications I et 2, dans lequel le fluide gazeux ou liquide est introduit par une ou plusieurs conduites d'alimentation dans la cavité du moule, ou dans la matière plastique plastifiée se trouvant à l'intérieur de la cavité du moule. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, après formation partielle de la couche extérieure, à partir des extrémités d'écoulement, on introduit dans la cavité du moule, un fluide gazeux sous une pression qui est supérieure à la pression à l'intérieur de la matière plastique plastifiée et les zones de la cavité du moule en amont des extrémités d'écoulement sont détendues totalement ou partiellement dès que la formation de la couche extérieure a progressé. 5.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le moule est chauffé, tout au moins en partie, pendant un court intervalle de temps avant, pendant et/ou après la détente de la cavité du moule.