Brevet FR2357887A1 — publié le 19780203

L'invention se rapporte aux méthodes de caractérisation dtun matériau plastique par détermination de ses propriétés rhéologiques. Elle concerne plus particulièrement un rhéomètre destiné à déterminer l'aptitude à la mise en oeuvre d'un matériau polymère viscoélastique fondu. On sait que la connaissance du module de cisailement et de la viscosité dtun matériau polymère est d'une extrême importance pour caractériser les plastiques commerciaux, particulièrement les thermoplastiques, puisque ces propriétés conditionnent les applications spécifiques auxquelles ils seront destinés. Ainsi les résines thermoplastiques pour l'extrusion ont des propriétés viscoélastiques très différentes de celles pour l'injection-moulage. Ces phénomènes rhéologiques ont déjà donné lieu à l'étude et a la mise au point d'appareils capables de fournir des données dont l'interprétation par le calcul permet de chiffrer les propriétés voulues. Ainsi le brevet américain n" 3 559 464 décrit un rhéomètre pour contrôle continu disposé en parallèle sur le circuit principal de passage du polymère et comportant un bloc régulé thermiquement muni d'un premier tube capillaire et d'un second tube capillaire de meme diamètre que le premier mais de longueur supérieure au premier, ainsi qu'unie pompe à vitesse variable connectée au bloc et interposée entre les deux capillaires, et des jauges de pression différentielles montées sur lesdits capillaires. Ce dispositif, outre une régulation de pression complexe et difficile à entretenir, présente l'inconvénient de ne permettre la mesure des propriétés rhéologiques que pour un seul niveau de cisaillement du matériau viscoélastique étudié. Il apporte donc des données incomplètes à ce point de vue et n'autorise qu'une détermination approximative des applications des polymères. Un premier objet de l'invention est donc de fournir un appareil capable, par des mesures à différents niveaux de cisaillement, de déterminer avec une grande précision l'aptitude à la mise en oeuvre d'un matériau polymère viscoélastique fondu. Un second objet de l'invention est dans les cas où l'on peut se contenter d'une précision moindre dans la détermination du comportement rhéologique d'un polymère, de fournir un appareil qui soit de construction et d'entretien plus aisés que ceux des appareils connus et plus facilement adaptable au centrale direct et rapide sur des unités de polymérisation de très grande capacité. Ces deux buts de l'invention sont atteints grâce à un rhéomètre disposé en dérivation du et sans retour sur un circuit de polymère fondu, caractérisé en ce qu'il comprend un corps constitué d'une pompe à vitesse fixe, d'un second tube capillaire en série avec le premier tube et de diamètre inférieur ou égal à celui-ci, ledit second tube débouchant sur un milieu fluide à pression régulée, et de deux capteurs de pression montés à l'entrée de chaque tube pour mesurer la perte de pression entre l'entrée dudit tube et le milieu fluide à pression régulée, et en ce qu'il comprend en outre des moyens de centrale de la température comporant une partie extérieure audit corps. Lorsque le procédé de préparation du polymère implique la présence, dans l'installation de préparation, de polymère fondu,lerhéometre seloninventionpeutiredisposé dans cette partie de l'installation. C'est le cas notamment dans les installations de polymérisation de l'éthylène sous haute pression, le rhéomètre se branchant alors à la sortie du séparateur. Cet appareil est utile pour la connaissance rhéologique des polymères les plus variés, entre autres le polystyrène et toutes les polyoléfines : polyéthylènes basse et haute densité, polypropylene, polybutène. Comme il est usuel dans cette technique, la partie extérieure des moyens de centrale de température est constituée par des enveloppes isothermiques et adiabatiques appropriées dont l'objet est de maintenir constante la température du matériau viscoélastique fondu circulant dans le corps. Le milieu fluide à pression régulée situé à la sortie du second tube capillaire est généralement un milieu gazeux tel qu'une atmosphère d'air ; il peut s'agir également d'un milieu gazeux inerte tel que l'azote ou l'argon dans le cas où l'on devrait effectuer à la sortie du rhéomètre la caractérisation d'autres propriétés,par par exemple chimiques , du polymère étudié. On remarquera que les organes constitutifs du rhéomètre selon l'invention, qu'il s'vagisse de la pompe à vitesse fixe ou des capteurs de pression fonc tionnant par référence à une pression connue, sont de conception plus simple et d'entretien plus facile que ceux intégrés à l'appareil du'brevet américain nO 3 559 464. Selon une variante de l'invention, les moyens de con trame de température du rhéomètre comportent non seulement la partie extérieure qu'on vient de décrire, mais encore une partie interne au corps disposée entre la pompe à vitesse fixe et le premier tube capillaire. Cette partie interne sera constituée par exemple d'une zone tubulaire d'échange thermique. Pour favoriser l'efficacité de cet échange thermique, le diamètre de cette zone devrait être choisi le plus faible possible toutefois on sera limité dans ce choix du diamètre par la nécessité absolue d'éviter au polymère, pendant sa traversée de ladite zone tubulaire toute modification rhéologique telle que le phénomène dit de melt-fracture. Pour illustrer la possibilité, précédemment indiquée, de réaliser à la sortie du rhéomètre proprement dit une caractérisation compléaentaire de l'aptitude à la mise en oeuvre du polymère étudié, on peut envisager de lier rigidement au corps du rhéomètre un dispositif de mesure de I'étirabilité'8 l'état fondu consistant par exemple en un extensomètre de jonc. Cette variante est décrite ci-après et représentée en figure. Lorsqu'une grande précision est requise pour la détermination du comportement rhéologique du matériau viscoélastique étudié, le rhéomètre de l'invention doit être capable d'assurer des mesures a différents niveaux de cisaillement. A cette fin, son second tube capillaire est disposé immédiatement en série avec le premier tube capillaire et a un diamètre strictement inférieur å ce dernier. De préférence, le gradient de vitesse de cisaillement dans le premier tube capillaire est compris entre -l 0,1 et 50 s 1 et le gradient de vitesse de cisaillement dans le second tube -l capillaire est compris entre 100 et 5000 s .Comme d'autre part les pressions mesurées par les capteurs de pression du corps du rhéomètre sont liées a la longueur et au diamètre des tubes capillaires, et que pour des raisons de commodité et de fiabilité on souhaite mesurer des pressions du même ordre de grandeur, la longueur du premier tube capillaire sera choisie de préférence très supérieure a celle du second tube. Pour adapter appareil au passage de résines de caractéristiques rhéologiques, notamnent l'indice de fluidité, très différentes comme cela est fréquent dans les unités de polymérisation de très grande capacité, on pourra prévoir un second tube capillaire amovible et éventuellement un premier tube capillaire chemisable. i L'invention sera mieux comprise par référence à l'unique figure représentant schématiquement le rhéomètre à double niveau de cisaillement comportant un dispositif de mesure de l'étirabilité à ltétat fondu. Sur cette figure, 1 désigne le circuit principal de passage du polymère étudié - par exemple le circuit de sortie du séparateur de l'unité de fabri cation dudit polymère - sur lequel une dérivation 2 conduit le matériau viscoélastique au corps 3 du rhéomètre proprement dit, comportant successivement une pompe 4 à vitesse fixe, une zone tubulaire 5 d'échange thermique et un premier tube capillaire 6. Ce dernier est muni à son entrée et à sa sortie de capteurs 7 et 7a de pression et de température disposés dans des logements 8 et 8a et reliés d'une-part à des enregistreurs de pression 9 et 9a et d'autre part à un système 10 de régulation électronique de la température.Le second tube capillaire 11 est, comme la zone 5 et le premier tube 6, ménagé dans une pièce métallique 12 elle-même entourée d'une jaquette chauffante 13 dont le fonctionnement est commandé par le système 10, l'ensemble étant entouré d'une enveloppe isolante 14 constituée par exemple de laine de verre et/ou d'amiante. Après son écoulement dans les tubes capillaires, le jonc de polymère fondu arrive tangentiellement sur la poulie de détection 15 du dispositif de mesure de ltétirabilité, encore appelé extensomètre. Cette poulie est solidaire, par l'intermédiaire d'une tige 16, d'un capteur de force 17 fixé à une plaque-support 18 et relié électriquement à un enregistreur 19-d'une poulie libre réglable.Le support 18, tout en étant isolé thermiquement du corps 3 du rhéomètre, lui est lié mécaniquement par tout moyen de liaison 23 tel que tige ou plaque permettant une évacuation facile de la chaleur dégagée dans cette aire par le jonc de polymère. Si l'on souhaite augmenter la précision de la mesure de la force de tirage, on fera passer le jonc sur une seconde poulie 20 solidaire, par l'intermédiaire d'une tige 21, de la plaque-support 18. Le jonc accroché à ces poulies est tiré par un banc de tirage 22 à vitesse fixe, par exemple du type compact constitué d'un moteur synchrome et d'une bottede vitesse équipée de poulies tireuses caoutchoutées. Revenant aux différents emplois de l'invention, lorsqu'une précision ordinaire est suffisante pour la détermination du comportement rhéo1xssque du matérlauviscoélastique étudié, le rhéomètre de l'invention peut effectuer les mesures pour un seul niveau de cisaillement. A cette fin, son second tube capillaire est de diamètre égal à celui du premier tube et n'est pas disposé immédiatement en série avec ce dernier mais s'en trouve séparé par une entretoise -ajourée. En outre dans cette variante la longueur du premier tube capillaire est de préférence au moins double de celle du second tube. Quoique la présente invention ait été décrite au moyen de réalisations préférées, il va de soi que toute réalisation équivalente en fait partie. Ainsi on peut concevoir, sans s'écarter du cadre de l'invention, un rhéomètre permettant des mesures à n niveaux différents de cisaillement, n étant supérieur à 2, en disposant en série n tubes capillaires de diamètres décroissants munis de n capteurs de pression. REVENDICATIONS 1. Rhéomètre pour la détermination continue de l'aptitude à la mise en oeuvre d'un matériau polymère viscoélastique fondu, disposé en dérivation du et sans retour sur un circuit de polymère fondu, caractérisé en ce qu'il comprend un corps constitué d'une pompe à vitesse fixe, d'un premier tube capillaire situé en aval de ladite pompe, d'un second tube capillaire en série avec le premier tube et de diamètre inférieur ou égal celui-ci, ledit second tube débouchant sur un milieu fluide pression régulée, et de deux capteurs de pression montés à l'entrée de chaque tube pour mesurer la perte de pression entre l'entrée dudit tube et le milieu fluide à pression régulée, et en ce qu'il comprend on outre des moyens de centrale de la tempdra- ture comportant une partie extérieure audit corps. 2. Rhéomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de contrtle de la température comportent une partie interne au corps disposée entre la pompe vitesse fixe et le premier tube capillaire. 3. Rhémoètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie interne des moyens de contrôle de la température est constituée par une zone tubulaire d'échange thermique de diamètre tel que le matériau viscoélastique n'y subisse aucune modification rhéologique. 4. Rhéomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, lié rigidement au corps, un dispositif de mesure de l'étirabilité à l'état fondu du matériau polymère viscoélastique. 5 Rhéomètre selon l'une quelconque des revendications là 4 caractérisé en ce que le second tube capillaire est disposé immédiate- ment en série avec le premier tube et de diamètre strictement inférieur à celui-cl pour créer des gradients distincts de vitesse de cisaillement dans les deux tubes 6. Rhéomètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que la longueur du premier tube capillaire est très supérieure a celle du second tube. 7. Rhéomètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que le gradient de vitesse de cisaillement dans le premier tube capil laire est compris entre 0,1 et 50s eten ce que le gradient de vitesse de cisaillement dans le second tube capillaire est compris entre 100 -l et 5000 s 8. Rhéomètre selon les revendications 5 a 7, caractérisé en ce que le second tube capillaire est amovible. 9. Rhéomètre selon la revendication 8 caractérisé en ce que le premier tube capillaire est chemisable. 10. Rhéomètre selon l'une quelconque des revendications 1 b 4, caractérIsé en ce que le second tube capillaire est relié au prenier tube par une entretoise et de diamètre égal è celui-ci 11. Rhéomètre selon la revendication 10, caractérisé en ce que la longueur du premier tube est au moins double de celle du second tube. 12. Rhéomètre selon l'une des revendications 1 a 10, caractérisé en ce qu'il est branché sur le circuit de sortie du séparateur dune unité de fabrication de polyéthylène selon un procédé de polymérisation ou oqolymérisation de l'éthylène sous haute pression.