Brevet FR2490141A1 — publié le 19820319

Dans l'exposé un matériau est considéré expansé lorsqu'il constitue une structure multicellulaire. Les cellules étant fermées ou commu niquant s. L'utilisation de certains matériaux sous forme expansé permet de réaliser d'importantes économies de matière et d'énergie. Les structures à cellules fermées conviennent particulièrement à l'isolation.thermique. L'isolation phonique nécessite des cellules commu niquantes. Lorsque le matériau peut être expansé à l'intérieur d'une structure creuse travaillant en flexion ou en torsion, il remplace avantageusement des renforts souvent difficiles à réaliser et à mettre en place. Il présente par rapport à ceux-ci l'avantage de ne pas créer de points singuliers tels que : ponts thermiques ou zones préférentielles de contraintes. Un matériau expansé présente à poids égal une résistance en flexion plusieurs fois supérieure à celle du même matériau non expansé. Lorsque pour améliorer le coefficient d'isolation thermique ou plus simplement par souci d'allègement on a recours à des agrégats légers, le gaz peut avantageusement les remplacer. Il a de plus l'avantage de maintenir sous contrainte de compression la matière pendant sa solidification, ce qui améliore souvent ses caractéristiques mécaniques et permet d'éviter les phénomènes de retrait. Les structures à cellules communiquantes présentent beaucoup d'in térêt dans de nombreux domaines. Par imprégnation elles peuvent être le support d'un autre produit et pour un moindre poids leur surface active est importante. Il existe actuellement plusieurs procédés permettant d'expanser les matériaux. Ils sont limitées dans leurs applications et présentent de notables inconvénients. a) Dispersion d'un gaz par agitation mécanique - Le produit à expanser devra être très fluide. Le diamètre des cellules ne peut être controlé qu'approximativement en ayant recours des adjuvents souvent coûteux et préjudiciable a A qualité du produit expansée. b) Formation d'un composé gazeux ou genération d'un gaz au sein même de la matière - La dispersion préalable du produit chimique est aléatoire lorsque celui-ci se présente sous forme solide finement divisé ou liquide. L'xpansion est diffuse, le diamètre et la nature ouverte ou fermée des cellules sont mal controlés. - Ces processus sont toujours lents et nécessitent généralement un apport calorifique. c) Vaporisation d'un agent porophore dispersé en phase liquide - Ce procédé est utilisé pour expanser les résines polyurétanes et les résines phénoliques. C'est une réaction exothermique de polymérisation ou de polycondensation qui libère les calories nécessaires à la vaporisation. La nature ouverte ou fermée des cellules ainsi que leur diamètre, sont difficilement contrôlés grâce à des adjuvents chimiques qui présentent les inconvénients cites en (a) et (b) et les agents porophores utilises sont des solvants qui apportent une pollution supplémentaire. Ce procédé nécessairement lent a un inconvénient commun avec celui cité en (b). L'expansion à lieu au moment de la polymerisation ou du durcissement de la matière, ce qui perturbe l'organisation chimique de celle-ci et fait apparaitre une multitude de microfissures préjudiciabIes à ses caractéristiques mécaniques. d) Incorporation d'un produit autre qui sera ultérieurement dissout pour laisser apparaitre des vides. - Ce procédé très limité dans ses applications est couteux. Il n'est utilisé qu'en dernier recours lorsque les autres méthodes ont échoué. - Le nouveau procédé permet de contrler avec précision le nombre de cellules implantées, leur diamètre et la nature ouverte ou fermée de celles-ci. Les cellules sont donc parfaitement positionnées dans un milieu à trois dimensions. - L'expansion est instantanée ou maitrisée de manière à être plus ou moins rapide. Elle se produit avant le durcissement de la matière sans perturber son organisation chimique ou cristaline. - Tous les gaz et toutes les combinaisons gazeuses peuvent être employées. - Le nombre de cellules implantées dans un millimètre cube de matière peut etre supérieur à cent. - Tous les matériaux tris en oeuvre à ltétat pateux peuvent etre expansés jusqu'à des températures voisines de mille degrés. - Les résines chargées ou renforcées par des fibres relativement courtes peuvent être expansées. - Il est possible d'inclure dans les matériaux fusibles ou thermoplas tiques, un agent porophore qui permettra de compléter ultérieurement 1' expansion. - Le nouveau procédé est mis en oeuvre grâce à un dispositif exclusivement mécanique constitué par deux filières circulaires et concentriques. La première filière conditionne la matière sous forme de film calibre dont la vitesse de défilement est connue et contrôlée. Ce film stécou- le ensuite au contact d'une deuxième filière multicanaux. Les canaux sont disposés en cercle suivant un plan oblique ou perpendiculaire au sens de progression du film. De chacun des canaux et à intervalle régulier jaillit simultanément la quantité de gaz nécessaire à la formation d'une cellule. Celle-ci sont implantées suivant un écartement d'axe en axe égal à llé- paisseur du film. Le meme espacement est respecté entre les axes de deux cellules émises successivement par un même canal. - Le nombre des cellules implantées dans un millimètre cube de matière est fonction de ltécartement des canaux, de l'épaisseudu film et de l'espacement des rangées de cellules. Si la dimension définie précédem- ment est de deux dixièmes de misJimètrer le nombre des cellules implan tées dans un millimètre cube de matière sera 125. La structure multicellulaire après expansion complète comportera encore 25 cellules par millimètre cube si l'expansion a été de cinq fois le volume initial. - La dimension des cellules est fonction de la durée de l'injection et de ltécart de pression entre gaz et matière. C'est en controlant la pression et la température du gaz que l'on peut déterminer le coefficient d'expansion. - Plus le diamètre des cellules devra etre important par rapport à l'épaisseur du film au moment de l'implantation, plus les pressions devront être importantes à l'intérieur de 1' appareil et l'expansion s'achevera à I'extérieur de celui-ci ou à l'intérieur si son orifice de sortie de plus large dimension est précédé par une chambre de décompression. - L'expansion complète s'effectue plus ou moins rapidement en fonction de ltécart de température qui règne entre le gaz et la matière. Le gaz peut être injecté à une température voisine de celle de durcissement de celle-ci. Cette disposition permet de réduire le risque de détérioration des cellules pendant le transfert du produit préexpansé. C'est par emprunt d'énergie calorifique à la matière que le gaz achevera l'expansion. - Lorsque la matière du fait de sa température au moment de l'injection du gaz, n est pas assez consistante pour permettre son expansion jusqu'a ouverture des cellules, l'ope'ration peut être poursuivie dans une enceinte préalablement préssurisée et refroidie. L'abaissement de la pression devra se faire progressivement lorsque la consistance de la matière le permettra. I1 est également possible d'obtenir le même resultat dans une enceinte à volume variable. - La figure 1 représente une vue en coupe d'un appareil spécialement conçu pour expanser à basse température des matières abrasives et relativement fluides. Bien que la disposition des différents éléments reste semblable, le choix des matériaux constitutifs ainsi que leur configuration seront sensiblement différents en fonction de la fluidité et de la température de la matière à expanser. - La matière à expanser est introduite par la canalisation 1. Pour simplifier le dessin une seule canalisation a été représentée en position verticale, il est cependant souhaitable qu'elles soient au nombre de quatre, régulièrement réparties sur la circonférence de l'appareil et inclinées de manière à faciliter la circulation de la matière. La chambre 2, de forme circulaire, concourt également grâce à son profil, à répartir la matière de manière à ce que son écoulement soit régulier sur toute la longueur du point d'extrusion 3. C'est en ce point, alors que le film est parfaitement calibré, qu'une petite quantité de gaz sera injectée pour former une cellule. Le gaz s'écoule dans le canal 4 ou il se trouve momentanément en surpression. La matière encore sous pression mais partiellement expansée poursuit sa progression pour venir s'échapper en 5.Le gaz pourra alors compléter sa détente. - Pour limiter l'usure ainsi que pour faciliter la rénovation de l'appareil, la matière s'écoule dans des canalisations et à l'intérieur du dispositif au contact de garnitures en résine synthétique telle que PTFE. Les canalisations comme celle représentée en 1 sont rapidement retirées et mises en place grâce au raccord rapide 6. La partie inférieure 7 de la filière est protégée par une garniture 8 qui ne nécessite aucun moyen de fixation. - Le corps principal 9 est protégé par une garniture 10 qui est percée de manière à laisser passage aux tubes comme celui représenté en 1. Seule la garniture 11 de forme conique, doit être maintenue en place par une vis 12, elle-même protégée par un bouchon 13, introduit de force dans son logement. Un canal 14 permet à l'air émprisonné entre la vis et le bouchon de stéchapper. Ce bouchon peut être retiré grâce à une vis de diamètre convenable vissée dans le canal. - Le corps principal de l'appareil est constitué par une carcasse 9 au centre de laquelle une pièce cylindrique 15 a été mise en place par effet de dilatation. Cette pièce a été préalablement striée sur tout son pourtour. Ce sont ces stries qui constituent les canaux dont l'un est représenté en 4. Les faces communes à ces deux pièces où débouchent les canaux, ont été rectifiées et polies. Le disque 16 en PTFE est maintenu en appui sur la face rectifiée 17, par le ressort comprimé 18. Cet ensemble est entrainé en rotation par l'arbre 19. - Le ga pénètre dans l'appareil en 20 pour suivre le trajet indiqué par la flêche. Par centrifugation il est ensuite amené à franchir les encoches telles que 21, pratiquées sur toute la circonférence du disque. Lorsque le disque est en rotation, les cloisons qui séparent les encoches masquent momentanément les entrées des canaux 4. - Pendant le fonctionnement de l'appareil, l'entrée des canaux est balayée par le ga z. Cette disposition évite que les impuretés à l'état solide, viennent obturer ces entrées ou s'engagent entre les surfaces en friction. - L'alimentation en matière à expanser est assurée "ar un moyen tel qu'une pompe. Dés la sortie de son réservoir le gaz est détendu à une pression controlée pour être ensuite filtré. i - Les cellules de gaz sont parfaitement positionnées dans la matière lorsque l'écartement des canaux est égal à l'épaisseur du film au moment de l'injection et, la vitesse d'écoulement du film égale à la vitesse du déplacement du disque à l'entrée des canaux. C1 est donc en agissant sur ces deux derniers paramètres qu'il est possible de faire varier le débit de l'appareil sans modifier les caractéristiques et la qualité du produit Le diamètre des cellules varie suivant la pression du gaz. - Un tel dispositif à l'échelle du dessin a un débit de 2C litres/minute, si la matière expansée de deux fois son volume initial contient quatre cellules au millimètre cube, et si, le film d'une épaisseur de cinq dixièmes de millimètre au point d'extrusion, s'écoule à la vitesse de un mètre/seconde. - Lorsque le débit est plus important, pour ne pas détruire les cellules au moment de l'éjection, le diamètre de l'orifice de sortie doit être élargi. R EVE NDICA TIONS 1. Procédé et dispositifs pour réaliser des structures multicellulaires, caractérisés en ce qutun agent porophore gazeux est implanté sous forme de cellules calibrées et régulièrement espacées, dans un film de matière à l'état plastique, s'écoulant au contact d'une filière qulinjecte le gaz grace à des canaux identiques entre eux, régulièrement espacés, tous disposes suivant un même angle par rapport au défilement du film. 2. Procédez et dispositifs suivant la revendication I caractérisés en ce que le dispositif qui émet le film de matière et la filière multicat:aux, sont cçrculaires et concentriques. 3. Procédé et dispositifs suivant la rep;endication I caractérisés en ce que les canaux de la filière prennent naissance dans une chambre d'alimentation commune. 4. Procédé et dispositifs suivant la revendication 1 caractérisés en ce que les entrées des canaux sont ouvertes et fermées par un disque en rotation.