Brevet FR2416105A1 — publié le 19790831

Les matériaux dégradables, tels que le polychlorure de vinyle, sont actuellement extrudés par des filières annulaires pour former des tubes, des films ou des paraisons destinées à un mou- lage par soufflage ultérieur. On utilise aussi bien des extrudeuses à vis unique ou à vis multiple. La zone annulaire de l'ex- trusion de la matière plastique est en général ménagée entre un mandrin interne maintenu concentriquement à une filière externe par une série de jambes de croisillons profilés du point de vue aérodynamique. Le flux de matière plastique doit contourner ces croisillons puis se souder à l'aval dans la zone annulaire. Ces croisillons constituent une zone de stagnation et de dégradation ultérieure des matières dégradables telles que le polychlorure de vinyle.Le problème est particulièrement grave avec les extrudeuses à vis unique du fait des températures élevées de la ma- tière qu'il faut utiliser et il est moins prononcé avec les extrudeuses à vis multiple. Cependant, dans les deux types d'qui pement, la longueur de la passe est souvent limitée par la dégradation de la matière sur les jambes des croisillons. On sait qu'un polychlorure de vinyle à poids moléculaire élevé donne une résistance aux chocs supérieure, un module d'élasticité plus élevé et une résistance à la traction plus grande, Cependant, ce matériau a une viscosité à l'état fondu plus élevée, avec pour résultat de mauvaises caractéristiques pour le traitement sur des extrudeuses à vis unique ou à vis multiple. Ceci est dA aux modèles irréguliers de cisaillement que l'on rencontre aussi bien dans les extrudeuses à vis unique qu'd vis multiple, avec pour résultat des différences dans le degré de malaxage et dans la température de la matière à l'état final à l'intérieur de la masse fondue. Une filière d'extrusion réalisée conformément à la présente invention est particulièrement adaptée pour traiter des résines i poids moléculaire élevé et réaliser des extrudats lisses et uniformes possédant des propriétés physiques complètement mises en valeur0 La filière d'extrusion conforme à l'invention comprend une zone annulaire ménagée entre la filière extérieure et un mandrin interne, le dit mandrin étant supporté par une série de jambes de croisillons aérodynamiques ou tout autre organe de support approprié. Une bague de cisaillement rotative est prévue sur la filière et/ou le mandrin en amont de l'ouverture de sortie de la filière d'extrusion, et l'une ou les deux surfaces opposées des bagues de cisaillement ou des organes qui font face à la zone annulaire sont pourvues d'au moins une cannelure hélicoldale.En outre, la partie externe de la filière et le mandrin interne sont fixes à la sortie de la filière d'extrusion. En fonctionnement, la bague de cisaillement rotative, en combinaison avec la cannelure ou les cannelures hélicoidales, soumet la matière à une action de pompage et de cisaillement lorsque la matière passe à travers la zone annulaire de la filière, réalisant ainsi une action de malaxage et de fusion uniforme résultant en un extrudat lisse, ainsi qu'une action de pompage qui réduit la pression au niveau de l'extrudeuse. Ceci a pour résultat une réduction de l'action mécanique exercée sur la matière qui, à son tour, réduit la température de la matière dans la filière. De nombreuses propositions ont été faites pour incorporer des cannelures ou des saillies dans l'une ou les deux surfaces, qui font face à la zone annulaire ménagée entre le mandrin interne et la filière externe qui l'entoure, d'une filière d'ex- trusion annulaire. Voir à ce sujet, par exemple, les brevets E.U.A. 3 281 897, 3 008 187 et 2 937 402 ainsi que le brevet al lemnnd t 218 706. Cependant, ces propositions antérieures ont toutes pour objet d'obtenir une orientation ou un malaxage circonférentiel.Elles ntapportent pas les moyens selon l'invention permettant de pomper la matière plastique fondue, opération de pompage rénitant de la combinaison d'une bague de cisaillement rotative et d'une cannelure hélicoidale aménagée sur une surface faisant face à la zone annulaire. En outre, les dispositifs ro tatifs décrits dans les brevets E.U.A. 3 281 897 et 3 008 187 utilisent la rotation à la sortie de la filière, et ceci peut avoir pour résultat des rides, des ondulations et même des déchirures des extrudats visqueux.Au contraire, la sortie de la filière d'extrusion de la présente invention est fixe, de sorte que ces difficultés sont évitées; La présente invention sera illustrée à l'aide d'un mode de réalisation préféré et en se référant au dessin ci-annexé, dans lequel : - la figure 1 est une vue en élévation latérale, sous forme simplifiée, d'une filière d'extrusion annulaire mettant en oeuvre l'invention et reliée à une extrudeuse - la figure 2 est une vue en coupe latérale selon l'axe de la filière ; - la figure 3 est une vue en élévation et en bout d'une forme modifiée de la bague de cisaillement ; - la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne 4-4 de la figure 3 - la figure 5 est une vue en coupe latérale semblable à celle de la figure 2 d'un autre mode de réalisation de l'invezrbion;; - la figure 6 est une vue en coupe d'une autre forme de la bague de cisaillement - la figure 7 est une vue fragmentaire en coupe d'un autre mode de réalisation de l'invention, et - les figures 8 et 9 sont des représentations schématiques des gradients de pression et de température, respectivement, que l'on constate dans une extrudeuse et une filière de l'art antérieur et de la présente inventions La figure I représente une filière d'extrusion annulaire 10 reliée à une extrudeuse 11. Conformément à la présente invention, la filière comprend une bague de cisaillement 12 montée rotative aur l'axe de la filière.La bague de cisaillement 12 est couplée mécaniquement à un moteur d'entrainement à vitesse variable 13 au moyen d'une channe d'entraînement 14 passant sur un pignon 15 relié à l'arbre de sortie d'un train de réduction de vitesse 16. Comme le montre la figure 2, la filière d'extrusion 10 comprend un corps de filière externe 18 et un mandrin interne 19, le dit mandrin étant fixé sur le corps de la filière par une série de croisillons 20 profilés du point de vue aérodynamique et espacés radialement. La bague de cisaillement de la filière 12 est placée dans une gorge cylindrique ménagée sur la face interne du corps de la filière 18 et il est prévu des bagues d'étanchéité 22 pour empêcher la matière de suinter hors de la filière. Un pignon à channe 23 est fixé sur la face externe de la bague de cisaillement de la filière0 Dans ce mode de réalisation de l'in- vention, des cannelures hdlicordales 24 sont ménagées sur la surface du mandrin, alors que la face opposée de la bague de cisaillement est lisse. Selon une autre forme, la surface du mandrin peut être lisse et les cannelures hélicoldales peuvent être prévues sur la bague de cisaillement de la filière,commelemontrent les figures 3 et 4 où la référence 24' indique les cannelures qui sont ménagées dans l'anneau de cisaillement de filière 121 Par ailleurs, le mandrin 19 peut être utilisé avec la bague de cisaillement de filière 12', ce mandrin 19 et cette bague de cisaillement de filière 12' portant des hélices en sens opposés. Lors du fonctionnement de la filière, le polymère passe par ltorifice d'entrée de la filière 25 (figure 2), contourne les Jambes des croisillons 20 et pénètre dans la zone de la bague de cisaillement rotative 12 ou 12'. Le mouvement rotatif relatif entre la bague de cisaillement 12 ou 12' et le mandrin 19 refoule le polymère vers la sortie de la filière 10. La figure 5 représente un mode de réalisation différent de l'invention dans lequel le mouvement rotatif relatif entre le mandrin et la filière est réalisé en faisant tourner le mandrin et en maintenant la filière fixe. Ainsi, et si l'on se réfère à la figure 5, la filière d'extrusion 30 peut être utilisée à la place de la filière 10 représentée sur la figure 1 e La filière d'extrusion 30 comporte une ouverture d'entrée 31 ménagée sur le côté du corps de filière externe 32 et susceptible d'autre reliée è la sortie de l'extrudeuse 11 d'une manière classique.Le corps externe 32 de la filière reçoit un organe terminal réglable 33 que l'on peut ajuster axialement au moyen de vis de réglage 34 pour être certain que l'organe 33 est coaxial avec l'axe de la pointe du mandrin 40. La pointe du mandrin 40 se visse sur l'organe arrière 41 qui, à son tour, porte la bague de cisaillement de mandrin 42 pourvue de dents 43 qui engrènent avec les dents du pignon droit 44 monté sur marbre d'entratnement 45. Un chapeau terminal 46 est boulonné sur le corps externe 32 de la filière et sur l'organe 41 e Des paliers 47 et 48 sont prévus pour supporter l'arbre 45 en rotation. Eout moteur approprié (non représenté) peut être utilisé pour faire tourner l'arbre d'entrainement 45. Des bagues d'étanchéité 49 assurent l'étanchéité de la bague de cisaillement de mandrin rotative 42. Le corps de mandrin 32 porte des cannelures hdlicoidales 50 sur sa surface qui fait face à la bague de cisaillement 42. Lorsque l'arbre d'sntratnemerlt 45 tourne, la bague de cisaillement 42 tourne également, tandis que la filière 30 reste fixe. La figure 6 représente une autre variante de l'invention où la bague de cisaillement 42' porte des cannelures hélicoidales 50'. La bague de cisaillement 42t peut être substituée i la bague de cisaillement 42 de la figure 5, de telle sorte que la filière aussi bien que le mandrin soient tous les deux pourvus de canne lures hélicoïdales, auquel cas les cannelures sont orientées en sens opposés. Selon une autre forme, la bague de cisaillement de mandrin 42' peut être substituée à la bague de cisaillement 42 et la face interne du corps de la filière 32 peut être lisse. La figure 7 représente un autre mode de réalisation de l'invention où il est prévu des bagues de cisaillement rotatives 12' et 42 dans la filière et sur le mandrin respectivement la canne lure hélicoïdale étant ainsi sur la bague de cisaillement de filière 12'. La bague de cisaillement 12' (figure 7) peut être entraînée en rotation en étant reliée au moteur 13 et à la chaine 14 de la figure 1. En utilisant la bague de cisaillement de filière 12 ou 12' et la bague de cisaillement de mandrin 42 ou 42 du mode de réalisation représenté sur la figure 5, il est possible d'avoir à la fois une bague de cisaillement de filière rotative et une bague de cisaillement de mandrin rotative, la cannelure hélicoïdale étant située sur la bague de cisaillement de la filière, ou sur la bague de cisaillement du mandrin, ou sur les deux. Comme mentionné ci-dessus, lorsque la filière et le mandrin portent tous les deux des bagues de cisaillement pourvues de cannelures héli cotidales, les cannelures sont orientées en sens opposés. La variante de réalisation représentée sur la figure 5 fonctionne de la même manière que les variantes de réalisation des figures 1 à 4. Ainsi, l'arbre d'entrainement 45 est entrainé en rotation et le polymère en provenance de l'extrudeuse est introduit par l'ouverture d'entrée 31. Ici aussi, la bague de cisaillement ou les bagues de cisaillement (12, 12' ; 42, 42') refoulent le polymère pour le faire passer dans l'ouverture de sortie de la filière 30. Les figures 8 et 9 représentent respectivement les courbes de pression et de température d'un appareil d'extrusion de l'art antérieur et de la filière d'extrusion conforme à la présente in Invention Selon la présente invention, il est possible, par lubri fiction suffisante dans le composé d'extrusion et par controle de la température dans 1 'extrudeuse, de maintenir la température de la matière à l'état fondu dans les limites de 150 à 1900C lorsqufelle pénètre dans la ou les bagues de cisaillement rota tires. En raison de la quantité de travail qui est nécessaire pour cisailler la matière, on peut obtenir une montée en température contrôlée dans la zone de la ou des bagues de cisaillement. Ce facteur également permet d'obtenir un malaxage uniforme et une uniformité de la matière à l'état de fusion résultant en un extrudat lisse. L'action de pompage exercée par la ou les bagues de cisaillement rotatives en combinaison avec les cannelures hé llcoidales réduit la pression exercée au niveau de l'extrudeuse (figure 8), avec pour résultat une réduction de la température de la masse du polymère dans ltextrudeuse (figure 9). La disposition conforme à l'invention a pour effet de maintenir le polymère à la température la plus basse possible (figure 9) avant de passer dans la bague de cisaillement ou les bagues de cisaillement oùl1action de pompage et de cisaillement produit une montée rapide de température qui amène le polymère à sa température de sortie optimale juste avant de sortir de la filière.Du fait que la dégradation du polychlorure de vinyle est fonction du temps et de la température, il est possible de chauffer le PVC à des températures relativement élevées pendant de courtes périodes sans constater de dégradations excessives. Lorsque le dispositif décrit fonctionne correctement, la température du polymère est maintenue aussi basse que possible jusqu'à ce que la matière atteigne la ou les bagues de cisaillement. Du fait de la conversion du travail de cisaillement en chaleur, la température monte rapidement dans la zone de la bague de cisaillement et la matière sort par l'orifice annulaire où l'extrudat est refroidi et calibré. En conséquence, la matière ne se trouve à une température dépassant la fourchette normale de 150 à 1 900C que pendant une courte période de temps. L'utilisation de la bague de cisaillement rotative dans une filière d'extrusion de tuyaux apporte les avantages suivants : 1 - Elle permet d'obtenir un extrudat lisse et uniforme avec des résines de PVC à poids moléculaire élevé, permettant ainsi à l'utilisateur de tirer parti des propriétés physiques optimales que présentent ces matières0 2 - En cisaillant la matière selon un angle de pratiquement 900 par rapport au trajet parcouru par la matière, on élimine des discontinuités du flux provoquées par les jambes des croisillons et on obtient ainsi une épaisseur de paroi plus uniforme, ce qui en outre économise de la matière. 3 - Du fait que la durée pendant laquelle subsiste la température élevée est réduite, les stabilisateurs coûteux dont on a besoin sont de niveaux plus bas. Cet avantage concerne les résines de poids moléculaire classique aussi bien que celles de poids moléculaire élevé. Les avantages qui viennent d'entre mentionnés pour 1'extrusion de tuyaux peuvent également être obtenus pour l'extrusion d'autres produits annulaires tels que des films et des paraisons destinés à des objets moulés par soufflage, de même que pour l'extrusion d'autres matériaux dégradables tels que le polychlorure de vinyle chloré et le polychlorure de vinylidène. Les résines de polychlorure de vinyle normalement utilisées pour l'extrusion de tuyaux sont classées sous la référence #P4-15343 des normes ASTM pour les résines de polychlorure de vinyle ASTM D 1)1755. La filière décrite permet d'utiliser des résines GP5-t5443 ou Eme des résines de poids moléculaire plus élevé dont on peut faire des tuyaux ayant d'excellentes propriétés. Une passe d'extrusion de tuyaux a été réalisée avec le dispositif des figures 2 et 3 en utilisant une résine de polychlorure de vinyle conforme aux normes ASTM GP5-1 5443, stabilisée avec 0,2 % d'organotine mercaptide, et en employant une extrudeuse à vis unique de 5 cm avec un rapport de la longueur au diamètre de 20/1, la vis ayant une profondeur de plastîfication de 2,3 mm et un rapport de compression de 3,5/1. La filière consistait en une filière classique pour tuyaux de 2,5 cm, nomenclature 40, pourvue d'une bague de cisaillement rotative de 5 cm de longueur et d'un diamètre interne de 32,5 mm, et ménageant un interstice annulaire de 2,3 mm avec le mandrin interne. la bague de cisaillement 12' était pourvue de huit cannelures hélicordales avec un angle d'h6- lice de 600 entre les flancs et l'axe de la bague et une profondeur de canal de 1,3 min. Ma face opposée du mandrin 19 était lisse. La bague de cisaillement 12' étant fixe et la vis de ltex- extrudeuse tournant à 17 tr/mn, la production a été de 9,5 kg/h à une pression de 180 kg/cm2, la température de la matière étant de 175000 L'extrudat était grumeleux et non uniforme et il n'a pas été possible de réaliser un tuyau satisfaisant. L'extrudeuse fonc tonnant dans les mimes conditions mais avec la bague de cisaillement 12' tournant à une vitesse de 33 tr/mn, la production a été de 12 kg/h, la pression étant de 150 kgj/cm2 et la température de la pâte de 2000C. Aussi bien les faces interne qu'externe du étaient lisses et uniformes et la matière était complètement fondue.La puissance consommée pour faire tourner la bague de cisaillement a été de 800 W. Bien que le mode de réalisation préféré de l'invention décrit ci-dessus employait une bague de cisaillement portant huit cannelures hélicoTdales, il est possible de ne prévoir que quelques cannelures et même une seule ou, à l'inverse, beaucoup plus de huit cannelures. Pour des tuyaux petits, il est en général valable d'utiliser de quatre à douze cannelures environ. Pour des tuyaux plus grands, on peut avoir besoin de vingt-quatre cannelures ou plus. Ce que l'on recherche est un malaxage et un pompage efficaces sans zones de stagnation, et on peut déterminer facilement le nombre optimal de cannelures en utilisant la technologie classique des vis d'extrudeuses. Si l'on connaît les propriétés rhéologiques et thermiques du polymère, on peut calculer la forme des hélices elles-mêmes en partant de procédés connus. Comme il est habituel de produire toute une gamme de formats de tubes sur une tête d'extrudeuse donnée, la vitesse de fonctionnement optimale dépendra du diamètre et de ltouverture annulaire pour le format particulier qui est extrudé. Les conditions optimales de fonctionnement peuvent être facilement déterminées en faisant d'abord fonctionner 1 'ex- trudeuse avec une bague de cisaillement tournant lentement, puis en augmentant graduellement la vitesse de la bague de cisaillement jusqu'd ce qu'on obtienne la température de l'extrudat correcte. On vérifie les conditions requises pour obtenir une tempe rature de fonctionnement basse à l'intérieur de l'extrudeuse en plaçant un thermocouple dans le produit en fusion à l'entrée de l'extrudeuse. REVENiDICATIONS 1.- Extrudeuse à vis destinée à l'extrusion d'un polymère à l'état fondu, caractérisé par le fait qu'elle comprend au moins une vis pour faire avancer le polymère dans l'extrudeuse dans des conditions de température et de pression élevées, une filière d'extrusion annulaire à la sortie de l'extrudeuse comprenant une zone annulaire ménagée entre un des organes constitués par un mandrin interne et un corps de filière externe qui l'entoure, et des moyens annulaires de pompage et de cisaillement du polymère constitués par des bagues disposées à une certaine distance de la sortie de la dite filière d'extrusion comprenant une ou des bagues de cisaillement montées rotatives sur au moins l'un des dits organes autour de l'axe longitudinal commun des dits organes, la ou les dites bagues de cisaillement ayant une face faisant face la zone annulaire, distante et opposée à la face de l'autre des dits organes, et au moins une cannelure hélicoIdale prévue sur au moins l'une des dites faces, le corps externe de filière et le mandrin interne étant fixes à la sortie de la dite filière d'ex- trusion. 2.- Appareil selon la revendication 1, dans lequel les dits moyens annulaires de cisaillement sont montés sur le dit corps externe de la filière. 3. Appareil selon la revendication 1, dans lequel les dits moyens annulaires de cisaillement sont montés sur le dit mandrin interne. 4. Appareil selon la revendication 1, dans lequel l'un des dits moyens annulaires de cisaillemect est monté sur le dit corps de filière et un autre sur le dit mandrin interne. 5. Appareil selon la revendication 2, dans lequel la face opposée au dit mandrin interne est pourvue de la dite cannelure hélicoTdale. 6.- Appareil selon la revendication 2, dans lequel la surface des dits moyens annulaires de cisaillement porte la dite cannelure hélicoidaleO 7.- Appareil selon la revendication 6, dans lequel la face opposée au dit mandrin interne est pourvue de la dite cannelure hélicoTdale de sens opposé à la dite cannelure hélicordale formée sur les moyens annulaires de cisaillement. 8o Appareil selon la revendication 3, dans lequel la dite face opposée au dit corps de filière porte la dite cannelure hélicoTdale. 9. Appareil selon la revendication 5, dans lequel la surface des dits moyens annulaires de cisaillement porte la dite cannelure hélicoidale. 10.- Appareil selon la revendication 9, dans lequel la dite face qui est opposée au dit corps de filière porte la dite cannelure hélicoidale de sens opposé à la dite cannelure hélicol- dale formée sur les dits moyens annulaires de cisailleinent. 11.~ Appareil selon la revendication 4, dans lequel la dite surface des dits moyens annulaires de cisaillement sur le dit corps de filière est pourvue de la dite cannelure héliec dale. 12.- Appareil selon la revendication 4, dans lequel la dite surface des moyens annulaires de cisaillement sur le dit mandrin interne porte la dite cannelure hélicoidale. 13.- Appareil selon la revendication 12, dans lequel la dite surface des moyens annulaires de cisaillement sur le dit corps de filière porte la dite cannelure hélicoTdale de sens opposé à la dite cannelure hélicoldale des dits moyens annulaires de cisaillement. 14.- Appareil selon l'une des revendications 1 à 13, dans lequel la dite extrudeuse est une extrudeuse à vis unique. 15. Appareil selon l'une des revendications 1 à 14, dans lequel la dite extrudeuse est une extrudeuse à vis multiple. 16.- Procédé pour obtenir des produits d'extrusion annulaires en matière plastique, caractérisé par le fait qu'on fait passer la matière plastique à l'état fondu d'une extrudeuse à vis sous pression dans la zone annulaire ménagée entre un organe interne constituant mandrin et un corps de filière externe qui l'entoure, et on cisaille la matière plastique à l'état fondu dans une zone située en amont de la sortie de la filière en direction transversale à la direction du flux de matière plastique à l'état fondu qui passe dans la dite zone tout en refoulant à la pompe simultanément la dite matière plastique en fusion à travers la dite zone indépendamment de la dite extrudeuse. 17.- Procédé selon la revendication 16, dans lequel la dite opération de cisaillement s'effectue dans une direction qui est pratiquement à 900 par rapport à la direction de circulation de la matière plastique. 18.- Procédé selon l'une des revendications 16 ou 17, dans lequel la pression et la température de la dite matière plastique 8~l'état fondu dans la dite zone sont augmentées pendant son passage dans cette zone.