Brevet FR2484324A1 — publié le 19811218

PROCEDE POUR LA FABRICATION DE PROFILES TUBULAIRES RIGIDES A PAROIS MINCES L'invention concerne un procédé pour la fabrication à haute cadence de profilés tubulaires de grande longueur rigides biorientés à parois minces en matière thermoplastique. Par profilés tubulaires de grande longueur on entend selon l'invention des tubes creux de section transversale cylin- drique, rectangulaire ou autre, de section droite linéaire ou variable le long de leur axe, ayant un diamètre interne ou diamètre inscrit au moins égal à 2 cm et un rapport longueur/diamètre comn- pris entre 10/1 et 300/1. Par parois minces on entend une épaisseur comprise entre 0,15 mm et environ 2 mm. Les profilés sont ouverts aux deux extrémités. D'après les procédés connus concernant la fabrication de tubes creux biaxialement étirés, le tube sortant en continu d'une extrudeuse à l'état thermoplastique est biétiré par une opération simultanée au cours de laquelle l'étirage longitudinal est obtenu par traction tandis que la section est simultanément agrandie à l'aide d'une surpression interne dans un manchon de calibrage ou sur un mandrin Interne dont la section augmente en fonction du diamètre et de l'épaisseur voulus. Ces procédés fonctionnent en continu, en ligne avec l'extrudeuse. La transposition de ce procédé aux matières thermoplastiques orientables à partir de l'état amor- phe implique que le tube préformé sortant en continu de l'extru- deuse soit rapidement refroidi à l'état amorphe puis réchauffé à la température de bîétirage. De tels procédés posent des problèmes de cadence et de contr8le de températures et nécessitent l'utilisation d'un lubrifiant pour permettre un écoulement régulier du tube dans le dispositif de calibrage. Ce type de technique est peu adapté à la réalisation de tubes rigides à parois minces car il présente l'inconvénient de conduire à la formation d'un tube dont l'épais- seur n'est pas constante du fait des frottements entre les parois du tube et le dispositif de calibrage, frottements qui provoquent des irrégularités dans l'étirage. Il est très difficile en outre de réguler le taux d'étirage en direction longitudinale et trans- versale dans les rapports permettant l'obtention des propriétés mécaniques optimales. Les difficultés inhérentes aux procédés en continu s'accroissent d'une manière considérable lorsque l'on veut former des profilés dont la paroi n'est pas lisse ou dont la section est variable, par exemple des profilés comportant des gorges ou sail- lies, des cannelures, pans coupés, parties saillantes ou rentrantes de renforcement ou de décoration et qui doivent être conformés par soufflage interne ou dépression dans des demi-moules disposés en série et qui se déplacent avec la paraison. Un but général de l'invention est de réaliser un procédé à haute cadence pour la fabrication de profilés tubulaires rigides à parois minces en matière thermoplastique orientée suivant deux axes. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que - on place une ébauche tubulaire préchauffée à la température de biorientation de la matière dans l'axe d'un moule ayant la confi- guration et les dimensions du profilé à obtenir, - on exerce une pression interne pour provoquer simultanément l'étirage longitudinal et un prégonflement radial réguliers au moins jusqu'au rapport naturel d'étirage biaxial de la matière, - on augmente la pression interne pour dilater à fond l'ébauche contre les parois du moule, - on refroidit le tube puis on relâche la pression. Comme matière thermoplastique convenant au procédé selon l'invention on donne la préférence aux polymères cristallins pré- sentant un rapport naturel d'étirage bien défini tels que les polyesters saturés et les polyamides. La matière thermoplastique particulièrement préférée est constituée par les homopolymères et copolymères de polytéréphtalate d'éthylène contenant au moins 90 x en moles de restes d'acide téréphtalique et au moins 90 % en moles de restes d'éthylène glycol et dont la viscosité intrinsèque, mesurée dans l'o.chlorophénol est comprise entre 0,50 dl/g et 1,10 dl/g. Le "rapport naturel d'étirage biaxial" est défini comme le seuil critique à partir duquel le matériau impose, du fait de son comportement rhéologique, une régularisation spontanée de sa déformation. Les rapports naturels d'étirage longitudinal et trans- versal varient en fonction de la nature du polymère, de sa visco- sité et de la température à laquelle s'effectue l'étirage. L'exis- tence desdits rapports peut être mis en évidence, et leurs valeurs peuvent être déterminées, par l'étude du soufflage d'un tronçon de tube fermé et préalablement soumis à un conditionnement thermique uniforme lorsque l'on observe sous l'influence d'une pression interne croissante la formation intermédiaire d'un cylindre déformé parfaitement uniforme dans la section droite, à partir de laquelle la déformation se poursuit simultanément et uniformément dans toutes les zones. Les valeurs X T = diamètre observé/ diamètre initial moyen et X Ln = longueur observée/ longueur initiale moyen- ne correspondent au rapport naturel d'étirage transversal et longi- tudinal. Le rapport naturel d'étirage biaxial est le produit X Tn. Ln. Dans le cas o le profilé n'est pas cylindrique, on se réfère au diamètre inscrit (plus petit cercle inscrit dans la partie droite) pour définir le diamètre de l'ébauche expansée à son rapport naturel d'étirage. Dans le procédé d'étirement biaxial selon l'invention l'ébauche tubulaire est allongée axialement à la valeur T non par des moyens mecaniques mais à l'aide d'un fluide sous pression tandis qu'elle est simultanément pré-gonflée à une valeur infé- rieure au diamètre final et au moins égale au rapport naturel d'étirage transversal ATX. Dans un second temps on augmente la pression au sein du tube étiré de manière à provoquer une expansion supplémentaire dans le sens transversal jusqu'à plaquer le matériau contre les parois du moule. De manière particulièrement favorable l'ébauche est pré-gonflée à la valeur À Tn ou au maximum à 5 % au-delà de ladite valeur. L'ébauche tubulaire est obtenue par découpage d'un tube préalablement extrudé, calibré et refroidi. Pour obtenir un profilé fini de longueur et diamètre définis il est nécessaire de choisir la géométrie initiale de l'ébauche tubulaire en fonction des condi- tions d'étirage et des caractéristiques propres du matériau de sorte que, au stade intermédiaire du rapport naturel d'étirage biaxial l'ébauche atteigne 100 % de la longueur du tube final étiré et environ 70 à 90 % de son diamètre. Pour le polytéréphtalate d'éthylène le rapport naturel d'étirage longitudinal X est compris entre 1,2 et 3,5 et le rapport naturel d'étirage transver- sal A Tn est compris entre 3,2 et 5, selon la viscosité intrinsèque du matériau et la température d'étirage. Le moule de soufflage est généralement constitué de demi-coquilles dont la forme correspond à celle du profilé à obte- nir et qui peut comporter des parois lisses ou des parties en relief. La température précise à laquelle l'ébauche est chauffée dépend de la matière dont il est formé. Si ce tube est en polyté- réphtalate d'éthylène une température de l'ordre de 90-120'C est utilisable. Le moule peut être chauffé ou non. De manière préfé- rentielle dans le but d'améliorer le rendu de l'empreinte on uti- lise un moule à parois chaudes, le chauffage pouvant être assuré de façon homogène par circulation d'huile dans une double enveloppe. La température du moule est choisie en fonction de la nature du polymère et des propriétés désirées selon l'usage du profilé. On peut choisir une plage de températures permettant une relaxation des contraintes internes ou bien des températures plus élevées pour une thermofixation de la matière provoquant éventuellement une augmentation de le cristallinité. Le fluide de pression utilisé pour la dilatation et l'extension de l'ébauche est injecté au travers d'une tubulure d'admission fixée à au moins l'une des extrémités de l'ébauche, l'autre extrémité étant éventuellement obturée de toute manière appropriée. On peut à cet effet utiliser un bouchon en matière isolante. De manière à éviter le contact de l'ébauche avec les parois du moule dans la phase de pré-soufflage il est utile de prévoir un dispositif de guidage à faible inertie permettant de contrôler l'alignement du tube dans l'axe du moule. La pression nécessaire dépend de la géométrie initiale de l'ébauche ainsi que de la matière utilisée et de sa température de-mise en oeuvre. Par exemple pour une ébauche cylindrique en polytéréphtalate d'éthylène de viscosité intrinsèque de l'ordre de 0,70 à 0,80 dl/g ayant un diamètre de 20 à 25 mm et soufflée à 95-120'C on utilise une pres- sion initiale de 3 à 8 bars; pour effectuer un- surétirage trans- versal de 10 à 30 Z au-delà du rapport naturel d'étirage une pres- sion comprise entre 10 et 25 bars est nécessaire. Pour éviter un refroidissement de la matière, le fluide de soufflage peut être préchauffé jusqu'à une température voisine de la température de biorientation. Lorsque l'ébauche a été dilatée à fond dans le moule on refroidit le profilé tubulaire de toute manière appropriée par exemple en refroidissant les moitiés de moule ou en balayant l'intérieur du profilé par un fluide de refroidissement. Il est préférable de maintenir au moins en partie la pression interne jusqu'à ce que la température de la matière soit descendue au- dessous du point o un retrait de forme pourrait se produire0 Dans une variante du procédé la pression interne est partiellement relachée de manière à laisser la matière se rétracter librement puis la pression est à nouveau appliquée, la matière est refroidie à l'état rigide et la pression est relachée. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des pro- filés creux, rigides, biorientés, transparents, à parois minces, de forme quelconque avec une reproduction fidèle de l'empreinte, une grande régularité dans l'épaisseur des parois et un excellent aspect de surface. Les profilés obtenus présentent en outre des propriétés mécaniques et une stabilité thermique dimensionnelle supérieures à celles qui seraient obtenues selon les procédés classiques d'extrusion en continu. Leurs propriétés permettent de les utiliser par exemple pour le transport de fluides sous pres- sion, comme tubes protecteurs de luminaires ou après tronçonnage comme corps de bottes dans l'industrie de l'emballage. Pour la réalisation de corps de bottes la forme du profilé est choisie de manière à correspondre à la répétition de celle des éléments que l'on désire obtenir. Il peut etre avantageux de prévoir une gorge saillante ou cannelure au niveau de chaque élément, le tronçonnage ayant lieu au niveau de la cannelure, ce qui facilite la fixation ultérieure sur les corps de bottes par sertissage ou soudure des fonds en métal ou en matière plastique exécutés séparément. Les bottes obtenues peuvent être utilisées pour la conservation de liquides plats ou pressurisés et de denrées alimentaires. L'invention est illustrée par les exemples de réalisation suivants. f. EXEMPLE 1 On utilise un tronçon de tube ou ébauche tubulaire ayant une longueur étirable de 55 cm, un diamètre externe de 24,5 mm et S une épaisseur de paroi de 2,75 mm. L'ébauche est obtenue par découpage d'un tube cylindrique extrudé, calibré et- refroidi à l'état amorphe en polytéréphtalate d'éthylène ayant une viscosité de 0,78 dl/g (mesurée à 250C dans l'orthochlorophénol). L'ébauche est préchauffée à environ 110'C au moyen d'élé- ments infra-rouge et est transférée à l'intérieur d'un moule ver- tical à parois froides composé de deux demi-coquilles cylindriques ayant un diamètre interne de 99 mPin et une longueur de 140 cm. L'ébauche est obturée hermétiquement à une extrémité par un bouchon en matière isolante relié à une tige de guidage et l'autre extré- mité est reliée à une source d'air comprimé par l'intermédiaire d'un tube d'admission. On insuffle l'air comprimé dans l'ébauche sous une pression de 6 bars ce qui provoque simultanément l'étirage longitudinal total et un pré-gonflage correspondant à un rapport d'étirage transversal moyen de 3,88. Dès que l'étirage longitudinal est obtenu on augmente la pression jusqu'à 20 bars de manière à dilater radialement l'ébauche jusqu'à épouser la forme du moule. Après un temps Je contact de 5 secondes on relâche la pression interne puis on démoule le profilé obtenu présentant une longueur de 140 cm, un diamètre interne de 99 mm et une épaisseur de 0,24 mm. Le profilé a un module d'élasticité en traction de 3050 MPa en direction longitudinal et de 6885 MPa en direction transversale selon la norme NF 51034. Il présente une uniformité d'épaisseur de - 5 % dans le sens longitudinal sur 95 % de la partie droite. EXEMPLE 2 On utilise une ébauche tubulaire cylindrique ayant une longueur de 2 mètres, un diamètre externe de 27,2 mm et une épais- seur de paroi de 3,5 mm en polytéréphtalate d'éthylène de viscosité intrinsèque 0,70 dl/g. L'ébauche est préchauffée à 1000C et transférée dans un moule dont les parois sont chauffées à 120'C. Le moule a une lon- gueur de 5 mètres et un diamètre interne de 115 mm. -2484324 L'ébauche est soufflée dans un premier temps à l'aide d'air préchauffé à environ 100C sous une pression de 5 bars pour provoquer simultanément l'étirage longitudinal total et un pré- gonflage correspondant à un rapport d'étirage transversal de 4. Dès que l'étirage longitudinal total est obtenu, on augmente la pres- sion à l'intérieur de l'ébauche intermédiaire jusqu'à 20 bars. On maintient les parois du profilé pendant 10 secondes au contact des parois du moule chaud. On relâche partiellement la pression-pour permettre à la matière de se rétracter librement, puis la pression est à nouveau appliquée. Finalement le profilé obtenu est refroidi intérieurement par balayage de CO2 détendu, et la pression est relâchée. Le profilé a un module d'élasticité de 8125 MPa en direc- tion transversale et de 3450 MPa en direction longitudinale. Il présente une uniformité d'épaisseur de - 2,5 Z dans le sens trans- versal et - 3 % dans le sens longitudinal sur 95 % de la partie droite. Il présente en outre une excellente stabilité dimension- nelle jusqu'à 950C. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et est susceptible de variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées. Ainsi les détails de forme et de structure peuvent être largement modifiées sans s'écarter pour cela de l'esprit de l'invention. L'ébauche tubulaire peut être constituée d'un matériau composite comportant un revêtement sur la paroi interne et/ou externe destiné à impartir une amélioration de certaines propriétés et qui peut être obtenu soit par co-extrusion, soit par enduction selon les méthodes con- nues. Il peut s'agir par exemple d'un revêtement barrière aux gaz et aux vapeurs à base de polymères ou copolymères d'acrylonitrile, de chlorure de vinylidène et/ou d'alcool polyvinylique ou de toute autre matière utilisée à cet effet. On peut également, si on le désire, incorporer à la matière constitutive de l'ébauche des additifs tels que colorants, stabilisants, charges de 'renforcement. En tant que charges on préfère les fibres courtes comme les fibres de verre broyées et les charges lamellaires comme les micas, les graphites et les talcs qui ont la propriété de s'orienter localement dans le plan de la paroi du profilé blorienté en lui communiquant une plus grande rigidité, une meilleure tenue au fluage sous l'effet d'une pression interne et une imperméabilité accrue aux gaz et aux vapeurs. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la fabrication de prof ilés tubulaires rigides à parois minces en matière thermoplastique caractérisé en ce que on place une ébauche tubulaire pré-chauffée à la température de biorientation de la matière dans l'axe d'un moule ayant la configuration et les dimensions du profilé à obtenir, on exerce une pression interne de fluide pour provoquer simultanément l'étirage longitudinal et un pré-gonflement radial réguliers au moins jus- qu'au rapport naturel d'étirage biaxial de la matière, on augmente la pression interne pour dilater à fond l'ébauche contre les parois du moule, on refroidit le tube puis on relâche la pression. 2, Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le prégonflement radial est effectué à une valeur comprise entre le rapport naturel d'étirage transversal et 5 % au-delà de cette valeur. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que au stade intermédiaire du rapport naturel d'étirage biaxial, l'ébauche atteint 100 % de la longueur et 70 à 90 % du diamètre du profilé tubulaire final. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le fluide de pression est chauffé jusqu'à la température d'orientation de la matière. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moule de soufflage est chaud. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé en ce que, après dilatation de l'ébauche contre les parois du moule, la pression interne est partiellement relâchée, puis est à nouveau appliquée, la matière est refroidie à l'état rigide, et la pression est relâchée. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, appliqué à la fabrication de profilés tubulaires en homo- et co- polymères de polytéréphtalate d'éthylène, caractérisé en ce que l'ébauche tubulaire est préchauffée à une température comprise entre 90 et 120'C, on exerce une pression interne de manière à effectuer un étirage longitudinal à la valeur du rapport naturel compris entre 1,2 et 3,5 et un pré-gonfflement radial à la valeur du rapport naturel compris entre 3,2 et 5 et on augmente la pres- sion pour dilater l'ébauche contre les parois du moule provoquant un sur-étIrage transversal. 8. Profilés tubulaires biorientés rigides ayant un rap- port longueur/diamètre compris entre 10/1 et 300/1, un diamètre Interne ou diamètre inscrit au moins égal à 200 mm, une épaisseur de parois comprise entre 0,15 et 2 mm obtenus par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.