Brevet FR2497814A1 — publié le 19820716

Ltinvention est relative à des billes en matière plastique expansée et au procédé d'obtention de telles billes. Une bille de type connuaen matière plastique expansée est oonstituée par des cellules, aux parois très tninces.Celles-ci sont sensiblement de même taille et sont uniformément reparties dans la totalité du volume de la bille.Une telle bille est obtenue le procédé d1expansion à la vapeur.Celui-oi est bien connu et a fait l'objet de nombreuses publications antérieures. Dans ce procédé on utilise une matière plastique expansible, notaient le polystyrène.Cette matière plastique se présente avant expansion,sous forme de perles ou de grains de grosseur constante ou non. Ces perles contiennent un agent d'expansion ou "pneumatogène" qui est habituellement un hydrocarbure aliphatique ou un dérivé halogène, par exemple du pentane.Ce pneumatogène a un bas point d'ébullition de sorte que,lorsquton le chauffe il se dilate et provoque 11 expansion des perles. La première étape de la transformation des perles consis te à les chauffer(généralement à la vapeur).Ceci est connu sous le nom de prémoussage et peut être réalisé de façon continue dans les "prémousseurs" ou "expanseurs". On suppose que le pneumatogène stexpanse à partir d'un petit noyau qui donne naissance à des cellules très petites en tom parai son de la perle.Après expansion la perle est environ 40 fois dense et est constituée par un réseau de membranes délimitant des cellules indépendantes. Ces cellules ont la forme de polyèdres irréguliers et sensiblement de même grosseur, pour une matière donnée.Cette grosseur peut varier d'une matière à l1autre,la moyenne se situant entre 120 et 140 de diamètre. Après prémoussage les pores sont pleins de pneumatogène et de vapeur dteau qui tendent à se condenser,quand les billes refroidissent.Il est donc nécessaire avant le moulage du produit constitué par les billes,de permettre à ltair extérieur de diffuser à travers les pores pour combler la dépression qui stest créée.Cette opération appelée "maturation" est assez longue et exige plusieurs heures.Pendant cette opération le produit perd la majeure partie de son humidité. On constate que la phase essentiel?e de ce procédé d'expansion à la vapeur est la phase de prémoussage. Dans cette opération l'effet de la chaleur sur le pneumatogène et la péné- tration du gaz utilisé(le plus souvent de la vapeur dteau) à l'intérieur des cellules,permettent ltexpansion de la matière plastique:une cellule démarre d'un noyau ténu qui ensuite stex- pansegla vapeur diffuse vers le centre à travers les pores à une très grande vitesse tandis que le pneumatogène diffuse du centre vers ltextérieur à une vitesse faible.Les parois de la cellule se comportent comme une sorte de membrane semi-perméable permettant à la pression à L'intérieur de croître et à une expansion ultérieure de se produire.Cela constitue le schéma de base du mécanisme de prémoussage,oest à dire que ltexpansion initiale est due au pneumatogène et quelle est ensuite prolongée par la pénétration de la vapeur dont la tension s'ajoute à celle du pneumatogène.On a constaté que la vapeur d'eau a une pénétration exceptionnellement élevée dans les matières plastiques expansibles.C'est ce qui justifie son emploi privilégié. Ce prémoussage à la vapeur permet d'obtenir les billes de densité très réduite.On arrive à obtenir un matériau de masse volumique égale à 20g/dm3.Après maturation,on peut soumettre ce matériau à un deuxième prémoussage.ans ce cas la masse volumique peut autre abaissée jusqu'à 7 g/dm3. Ces billes ont une structure régulière et homogène.Par rapport à des billes creuses,de telles billes demandent plus de matière et ont une résistance mécanique moindre.e plus,elles ne sont pas utilisables directement après leur fabrication.I > 'une part les cellules de ces billes sont en dépression et d'autre part elles contiennent de l1humidité.Cette dépression doit être comblée pour que les billes présentent des caractéristiques mécaniques acceptables et l'numidité doit être évacuée. L'opération de maturation est donc essentielle pour que le produit obtenu par moulage des billes soit de bonne qualité. Le but de la présente invention est d'obtenir une bille en matière plastique expansée qui soit le plus proche possible d'une bille creuse et qui soit direetement utilisable après fabrication. Le procédé pour obtenir de telles billes à partir de matière plastique expansible contenant un agent dtexpansion ou "pneumatogène" est caractérisé en ce que des billes vierges en matière plastique sont chauffées brutalement de manière à former une peau périr)hérique empêchant le départ ultérieur de pneu matogène et la diffusion d'un agent extérieur,de la périphérie vers le centre et en ce que ces perles sont maintenues dan On milieu ambiant chaud de manière @@@@ que la cl leur diffuse de la périphérie vers le centre,lors que ] agent pneumabogène est emprisonné à l'intérieur de cette bille par la peau,cette diffusion de la chaleur provocant l'augmentation en volume du pneumatogène et le ramollissement de la matière plastique ce qui permet la formation d'alvéoles de taille irrégulière. Suivant une autre caractéristique de linvention,la bille obtenue par ce procédé présente: -une zone centrale occupée par des cellules de très grande taille; -au moins une zone périphérique occupée par des cellules dont la taille est beaucpup plus petite que celle des cellules de la zone centrale; -une zone surfacique constituée par une peau très mince. Suivant une autre caractéristique de l'inventicn, les billes obtenues sont parfaitement sphériques et ont un aspect extérieur lisse et brillant. Suivant une autre caractéristique de l'invention,la taille des cellules des zones périphériques diminue en fonction de leur éloignement au centre de la bille. Suivant une autre caractéristique de ltinvention les billes obtenues ne contiennent pas d'humidité et sont directement utilisables après fabrication,par exemple pour mouler des emballages on tousse rigide. Suivant une autre caractéristique de ltinvention les perles vierges sont soumises à un préchauffage initial. Suivant une autre caractéristique de ltinventionoles perles après préchauffage sont introduites dans un lit fluidisé. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'appareil pour mettre en oeuvre le procédé suivant l'invention est constitué par un réchauffeur ou les perles sont préchauffées dans un faisceau tubulaire et par un expanseur qui présente un cylindre horizontal entouré de deux gaines de soufflage et de récupération de gaz Suivant une autre caractéristique de l'invention un ventilateur assure la reprise et le soufflage du fluide. Suivant une autre caractéristique de l'invention des moyens permettent de contrôler le paramètres du flux gazeux à travers l'expanseur pour maintenir un lit fluidisé honogène supportant les billes et à une température constante,les paramètres contrôlés étant:débit,pression et température. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'expanseur est équipé d'une entrée de fluide additionnel, munie d'un réducteur d'oxygène pour que l'atmosphère du lit fluidisé reste neutre. Suivant une autre earactéristique d ltinvention,ltexpanseur cst muni dlun agitateur à axe horizontal qui comporte un tambour raclant les parois et des pales hélicoîdales disposées suivant des diamètres. Suivant une autre caractéristique de l'invention,le lit fluidisé est constitué par un mélange d'azote et de gaz carbonique, Suivant une autre caractéristique de ltinven-tion la matière plastique utilisée est du polystyrène et le pneumatogène est du pentane. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le procédé permet obtenir des billes dont la masse volumt que est voisine de 10g/dm3 avec un temps de passage dans ltappareil de l'ordre de 18 minutes. Les dessins annexés, donnés à titre itexemple non linitatîf permettront de mieux comprendre les caractéristiques de l'invent tion. Fig.1 est une vue en coupe d'une bille en @atière plastique expansée obtenue par le procédé clas-iaue de soufflage à la vapeur. Fig.2 est une vue en coupe dune bilLe obtenue par le procédé suivant l'invention. Fig.3 est une vue en coupe dtun réchauffeur pour la nise en oeuvre du procédé suivant l'invention. Fig.4 est une vue en coupe suivant un plan perpendiculaire à celui de la figure 3 de ce même réchauffeur. Fig.5 est une vue en coupe de l'expanseur pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. Fig. 6 est une vue en coupe suivant un plan perpendiculaire celui de la figure 5 de ce même expanseur. On - représenté figure 1 une vue en coupe d'une bille en matière plastique ex ansée obtenue par la procédé de soufflage à la vapeur.Cette bille i est constituée de nombre alvéoles. Les alvéoles a qu qui occupent la partie centrale de la bille ont la même taille que les alvéoles 2b qui occupent les zones périphériques de celle-ci. FIC. montre une vue en coupe d'une bille obtenue par le procédé suivent l'invention. Cette bille 3 est constituée par de nombreux alvéoles de tailles irrégulières.0n peut distinguer les alvéoles 4 de la zone centrale,les alvéoles 5 des zones périphériques et la peau 6Les alvéoles 4 sont de très grande taille et occupent une grande partie de la bille.Les cellules 5 sont de plus en plus petites au fur et à mesure que lton s'éloigne du centre.La peau 5 est très mince et recouvre toute la surface de la bille.Cette bille est une bille creuse. L'appareil pour la mise en oeuvre du procédé suivant ltinven- tion comporte principalement un réchauffeur 7 et un expanseur 8. Le réchauffeur est constitué par une coque cylindrique 9,par un faisceau tubulaire 10 et par deux plaques tubulaires 11. De l'eau circule dans les tubes du faisceaugelle est chauffée par des résistances électriques 12.Le faisceau 10 est relié à un vase dtexpantion 13 qui recueille l'eau en excédent.Le réchauffeux est fermé par un distributeur pneumatique 16 suivi dt%n étran 6 eur 17. Le prémousseux 8 est constitué par un réservoir parallélépipédique 18,posé au sol par l'intermédiaire de vérins d'assise 19.Ce réservoir est occupé par un cylindre 20,tangent aux faces latérales 21 et 22 du réservoir 18.Ce cylindre délimite deux compartiments 23 et 24 dans le réservoir 18.Le cylindre 20 est constitué par deux demi-cylindres 25 et 26.Le demi-cylindre 26 est un tamis métallique très fin.Le demi-cylindre 25 est en tle;il comporte trois ouvertures 27 parallèles à l'axe de symétrie 28 du cylindre 20.Ces ouvertures 27 sont recouvertes par un tamis métallique très fin.Le demi-cylindre 26 est fixé sur un cadre mobile et amovible. Un agitateur 29 comporte un cadre raclant les bords du cylindre 20,et des ailettes hélicoTdales,perpendiculaires d' l'axe 28.Cet agitateur 29 est à ltintérieur du cylindre 20; il est mobile en rotation autour de l'axe 28.Un noto-roducteur permet son entraînement. Une goulotte 32 pe@et l'éfvaouation des billes expansées qui s'échappent du cylindre 20 par l'ouverture 43, équipée de volets 44. Les compartiments 23 et 24 sont reliés par un conduit 33 qui comporte un vetilateur 34 et un dispositif de chauffage 36, à résistances électriques. Un conduit 35 relie le sommet de la goulotte 32 au conduit 33.Ce conduit 35 et équipé d'une arrivéc de gaz fraie 37 et d'un réducteur à oxygène 41. Le fonctionnement est le suivant: Les billes vierges 39 arrivent par gravité dans le réchaquffeur 7. iwans celui-ci les billes subissent un début e chauffe. Le pneumatogène conr;ence à diffuser b l'extéricur. Les billes sont ensuite introduites ans ltexpanseur a par l'orifice 45.Le distrbuteur pneumatique 16 permet de contrôler le débit d'entrée des billes. Celles-ci flottent dans un lit fluidisé chaud cróé dans le cylindre 20.A cet effet un mélange de gaz(par exemple du gaz carbonique et de l'azote) est envoyé dans le compartiment 23, passe par les ouvertures 27 dans le cylindre 20, et est collecté dans le compartiment 24.La pression et la température ainsi que le débit de ce flux gazeux sont scigaeusement contrôlée pour que le lit fluidisé qui se ferme an: le cylindre 2C soit homogène et puisse supporter les billes et les maintenir h une température constante (proche de la température de ramollissement de la matière plastique expansible utilisée). Le mélange gazeux est propulsé par le ventilateur 34 et eat chauffé par le chauffage 38. L'agitateur 9y es cont5:iuelIement en rotation; il r@@le les parois du cyl@ndre 20 et empêche la formation de mottes de billes. Les gaz sont récupérés dans le compartiment 24 et ensuite recyclés(conduit 33).Un flux additionnel de gaz arrive par la vanne 37. Il passe dans un réducteur à oxygéne 41, pour conserver une atmos@@ère neutre à 11 intérieur ct-e ltexnanselr. Le billes au fur et à mesure de leur expansion deviennent plus légènesl Les billes conplè@@ ent expansées 43 s'échappent du cylin@@ 20 par la goulot@e 32(flèche 42)l La forme bélicoîdale des pales 31 favorise ce mouvement ainsi ue le flux ad@ltionnel de gaz. L'inclinaicon des volets 44 es réglable et e@@@et de contrôler le débit sortant de billes. Le mécanisme d'expansion des billes est le suivent: -les billes déjà chauffées par le pas@age daus le préchauf@eur sont wises brutalement au contact des gaz chauds (cha@bre @3) La temgé- rature de la péri@hérie augmente très rapidenenent. Le pneumatogène diffuse lentement de l'intéricur de la bil@c vers l'extérieur et s'échappe partiellement par les pores nui se sont ouverts en surface.Du fait du ramollissopent superficiel de la ratière plastique et de frot-ements des billes entre ellestles ores stobstruent et il se forme une peau mince qui enveloppe complètement la bille. On peut considérer que le quart du pneumatogène a quitté la perle. -derrière la peau relativement imperméable sui slest crééetla chaleur se propage vers l1intérieur.ll n'y a pratiquement plus de per te de pneumatogene vers l'extérieur. L'augmentation en volume du pneumatogàne due à son échauffement et le ramollissement de la matière plastique permettent la formation de couches successives de celules.La chaleur se propage de la périphérie vers le centrale long des parois des cellules qui se sont formées.Ces cellules et leurs parois sont de taille plus importante que celles que l'on obtient par moulage à la vapeur. Le pneumatogène rencontre de ce fait dans sa diffusion du centre vers la périphérie une plus grande résistance. -le centre atteint sa température maximale et du mme coup la pressien du pneumatogène atteint son mazimum.Les alvéoles qui se forment à cet endroit sont très grands( > 1000 ). Un effet mécanique se produit de proche en proche, accroissant encore les dimensions dea cellules centrales et provoquant l'expansion de toute la ruche déjà constituée, qui est tout cntière en état de ramollissement. Le gaz contenu dans les cellules les empêche de diminuer de volume ct c'et donc l'ensemble de la bil@e qui s'expanse. Le chauffage se fait dans le premier tiers du cylindre 20 llexpansion dans les deux tiers suprieurs. la sortie de l'appareil( goulotte 32) les billes se refroidissent. La matière plastique se solidifie et le pneumatogène se condense. Les parois des cellules ont acquis une résistance suf fisante pour supporter la légère pression due à cette condensation. Les billes sont utilisables dès leur sortie de l'appareil. Elles peuvent par exemple être utilisées pour des emballages en mous se rigide. L'isotr@pie des actions du centre vers la périphérie fait que la bille sort parfaitement sphéritue.Elle possède un bel aspect lisse et brillant du fait que les pores superficiels Be sont obstrués. La matière plastique expansible peut titre du polystyrène et le pneumatogène du pentane.ia masse volumique des billes obtenues par ce procédé et avec ces substances peut atteindre 10g/dm3. On ne fait qu'une seule extansion;le temps de passage dans ltexdanseur n1 excède pas 18 minutes. On ne sortirait pas du cadre de 11 invention en réalisant un appareillage autre que celui décrit pour ltapplication de ce procédé. En particulier,les billes selon itinvention peuvent Outre utilisées à toutes applications autres que le moulage des coques d'emballage en mousse rigide ou analogues. REVENDICATIONS 1.Procédé pour obtenir des billes creuses à partir de matière plastique expansibletcontenant un agent dtexpansion ou "pneuma- toène",caractérisé en ce que des billes vieres,en matière plas tiouetsont chauffées brutalement de manière à former une peau périphérique, empéchant le départ ultérieur de pneumatogène et la diffusiontde la périphérie vers le centre dtun agent extérieur, et en ce que les billes sont maintenues dans un milieu ambiant chaud,à une température proche de la température de ramollissement de la matière plastique utilisée,ce qui permet la formation d alvéoles de taille irrégulière. 2.Bille creuse obtenue par le procédé suivant la revendication i caractérisée en ce qu'elle présente: -une zone centrale occupée par des cellules de grande taille; -au moins une zone périphérique occupée par des cellules dont la taille est beaucoup plus petite que celle des cellules de la zone centrale; -une peau très mince enveloppant complètement la bille, 3.Bille creuse suivant la revendication précédente,caractérisée en ce qutelle est parfaitement sphérique et en ce qu'elle a un aspect lisse et brillant. 4.Bille dcreuse suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les dimensions des cellules des zones périphériques diminuent en fonction de leur éloignement au centre de la bille. 5.Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les billes vierges sont soumises à un préchaufrage initial. 6.Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 5,caractérisé en ce que le milieu ambiant chaud est constitué par un lit fluidisé. 7.Appareil pour mettre en oeuvre le procédé suivant ltune quelconque des revendications 1,5,,caractérisé en ce qu'il comporte un réchauffeur où les billes vierges sont chauffées dans un faisceau tubulaire,et un expanseur qui présente un cylindre horizontal entouré de deux gaines de soufflage et de récupération des gaz. 8.!ppareil suivant la revedication 7,caractérise en ce qu'un conduit relie les deux gaines,un ventilateur assurant la reprise et le soufflage du fluide,et un dispositif de chauffage ltdlevant à la température choisie. 9.Appareil suivant la revendication 6,oaraotérié en ce que des moyens permettent de controler les paramètres du flux gazeux à travers l'expanseur pour maintenir un lit fluidisé homogène qui puisse supporter les billes et les maintenir à une température constante, ces paramètres étant débit, pression, et température. 10.Apparoil suivant l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend à l'intérieur du cylindre un agitateur à axe horizontal qui comporte un tambour raclant les parois du cylindre, et des pales hélicordales disposés suivant des diamètres. 11. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte une entrée de fluide additionnel munie d'un réducteur à oxygène. 12. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que le mélange gaze7ux est constitué par de l'azote et du gaz carbonique. 13. Procédé suivant l'une quelconque des revendicatious précédentes 1,5,6 caractérisé en ce que la matière plastique utilisée est du polystyrène, et le pheumatogène du pertane. 14. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes 7 à 12, caractérisée en ce qu'il permet d'obteni@ der @illes de polystyrène expansé dont la masse volumique est voisine de 10g/dm3 avec un temps de passage dans l'appareil de l'ondre de 18 minutes.