Brevet FR2505252A1 — publié le 19821112

La présente invention a pour objet un procédé de refroidissement d'une plaque de matière thermoplastique fondue au contact d'un corps maintenu à basse température et un dispositif pour sa mise en oeuvre. Un procédé largement utilisé pour la fabrication de feuilles réalisées en matières thermoplastiques consiste a fondre et à homogénéiser des granulés sthermoplastiques i dans une extrudeuse 2 par l'intermédiaired'une vis sans fin 3, une filière 4 disposée à la sortie de l'extrudeuse assurant la formation d'une plaque 5. Cette plaque 5 est refroidie au contact de la surface d'un tambour 6 entratné en rotation, et équipé d'un circuit de refroidissement par eau 7. Ce refroidissement rend la plaque apte à subir des transformations ultérieures qui peuvent être un thermoformage, un grainage ou bien un étirage mono ou bi-axial. L'étirage bi-axial des feuilles thermoplastiques est réalisé à partir de plaques de différentes matières telles que propylène, polyéthylène, polychlorure de vinyl, polyamide, poystyrène, polyéthylènetéréphtalate, etc.... et plus récemment des matériaux complexes coextrudés. I1 s'agit d'un domaine où l'homogénéité et la rapidité du refroidissement exerce une influence déterminante sur les caractéristiques du produit final ainsi que sur la vitesse de production maximale envisageable, les débits atteignant à l'heure actuelle 2 a 4 tonnes par heure, et les épaisseurs de plaque 3 à 4 millimètres. De manière générale, ce sont les problèmes liés au refroidissement de la plaque primaire sortant de la filière qui limitent le débit des installations de fabrication, et dans certains cas réduisent la qualité des feuilles bi-étirées produites. Il a été à ce jour imaginé un certain nombre de procédés pour améliorer la rapidité et l'homogenéité du refroidissement d'une plaque thermoplastique au contact d'un tambour entralnô en rotation et refroidi par circulation d'un fluide à l'intérieur d'une double enveloppe. Une première difficulté rencontrez dans la réalisation de ce refroidissement illustré à la figure 2 résulte du fait que la surface interne 8 de la plaque 5 de polymère fondu n'adhère pas à la surface du tambour, qui a été très finement chromée et polie de façon à ne pas détériorer la surface du fille venant à son contact. Ce manque d'adhérence est critique du fait des contraintes mécaniques auxquelles est soumise la plaque, dont la face extérieure reste proche de la température d'extrusion, qui est de 250 à 300 C, tandis que la face intérieure 8 au contact du tambour est brutalement refroidie à une température de l'ordre de 40 à 60 C. La face 8 de la plaque a tendance à se contracter, ce qui, d'une part, réduit la largeur de la plaque et, d'autre part, tend à lui donner une forme bombée qui supprime le contact entre sa face interne 8 et le tambour. Ce phénomène est particulièrement important dans le cas d'une technique de bi-orientation, du fait que les plaques primaires sont généralement épaisses et qui faut les refroidir rapidement pour évite la formation de channes cristallines néfastes à l'étirage. Cette contraction incontrôlée se traduit, en outre, par une détérioration du profil d'épaisseur, principalement sur les bords de la plaque. Pour remédier à cette difficulté, il a été imaginé d'augmenter l'adhérence des plaques sur le tambour, ce qui est réalisé par plusieurs procédés. Selon une première possibilité, dont le iode de mise en oeuvre est représenté à la figure 3, un cylindre presseur 9, d'axe parallèle au tambour, agit sur la face extérieure de la plaque 5 immédiatement après la ligne de contact sur le tambour. Cependant, cette méthode n'est pas applicable à des polymères de faible viscosit#, dont elle détériore l'état de surface, ou ayant tendance à coller, sur la surface du cylindre presseur. Cette technique est également difficile à mettre en oeuvre, surtout pour l'obtention de profils bombés qui sont souhaitables lors d'une bi-orientation ultérieure de la plaque. Pour ces raisons, ce procédé est peu utilisé. Une autre possibilité consiste, comme montré à la figure 4, et comme décrit dans le brevet U.S. 2 736 066, à agir sur la face extérieure de la plaque 5, grSce a un jet d'air 10 provenant d'un ventilateur 11. Ce procédé ne peut s'utiliser que pour des films mettant en jeu des polymères dont la viscosité à la température d'extrusion est suffisamment élevée pour que la surface extérieure de la plaque ne soit pas détériorée par la percussion des jets d'air. LL effet, si l'on doit limiter la vitesse de l'air, effet de placage devient insuffisant lorsque la vitesse de production augmente, cette insuffisance se traduisant par une tendance des bords à rouler vers l'intérieur, ainsi que par l'apparition des défauts signalés ci-dessus. Une autre possibilité illustrée å la figure 5 et dScrite notamment dans le brevet français 2 077 3@1 consiste à utiliser un effet de pression électrostatique, dans le cas de plaques mettant en jeu des polymères de faible viscosité à la température d'oxtrusion. Une Slectrode 12 aliments par un générateur haute tension 13, et disposée à proximité de la ligne de contact entre le polymère fondu et le tambour relié Slectriquement à la terre, ionise l'air dans la zone dans laquelle elle est sont, le tambour attirant les particules ionisées. La pression électrostatique qui en résulte plaque le film contre le tambour. L'électrode a généralement la forme d'un fil qui s'étend sur toute la largeur de la plaque. Ce procédé qui est le plus souvent utilisé dans le cas des films de polyéthylènetéréphtalate est de plus en plus difficile A mettre en oeuvre au fur et à mesure que la vitesse de production augmente, du fait de la sensibilité de l'électrode aux vibrations, des modifications des caractéristiques de l'air ambiant, des dépôts de vapeur sur l'électrode, amorçage, parasites etc... De nombreux dispositifs ont Sté imagines pour re4dier à ces causes dtinstabilité, comme décrit par exemple dans le brevet français 78 0198 i. il faut, en outre, noter que les deux dernières méthodes signalées précédemment, placage par lame d'air et placage électrostatique, laissent apparaître une autre catégorie de défauts lorsque la vitesse de production augmente. On constate alors la présence simultanée sur la face interne 8 du film de deux types de zones - des zones très fortement plaquées A tel point que les défauts géométriques du cylindre, même trèa finement poli s'impriment de manière irréversible sur la face interne du film, ce qui est dommageable dans tous les cas et inacceptable pour certaines qualités de films, tels que files photographiques ou films pour art graphique - des zones d'inclusion d'air qui, du fait de la vitesse de défilement de la plaque n'a pu entre chassé å temps du coin formé entre celle-ci et la surface du tambour. La présence de cet air est gênante car il constitue un obstacle au transfert thermique entre le film et le tambour, dont l'efficacité diminue avec l'augmentation de la vitesse de production, qui nécessiterait, au contraire, une efficacité accrue. C'est ainsi par exemple que la photographie sur fond noir (lumière rasante) grossie 200 fois de la surface interne d'un film de polypropylène de i millimètre d'épaisseur, de 850 millimètres de largeur, refroidi, a la vitesse de 20 matres par minute, de la température d'extrusion (270-280*C) à environ 400C au contact d'un cylindre de 1 200 mm de diamètre, finement chromé et poli, de manière a.présenter une rugosité totale Rt de 0,3 micron, refroidi par circulation d'eau dans la double enveloppe (35 m3/h) a montré que, dans le meilleur des cas de réglage de la lame d'air, environ 30 X de la surface du film n'eut pas au contact du tambour, la-lame d'air ayant un débit de i 000 a3/h sous une pression de 117 676 Pa environ. Une solution pour remédier à ces inconvénients consiste, comme e montré à la figure 6, à utiliser un placage électrostatique de haute intensité à l'aide d'électrodes 14 et 15 alimentées par des générateurs haute tension 16 agissant sur les deux bords respectivement li et 18 de la plaque. La détérioration qui en résulte est acceptable puisque ces bords seront découpés ultérieurement. A ce placage électrostatique est associée une mise en dépression du volume situé sous la filière dans la partie médiane de la plaque grace à un Venturi li. Cette technique ne supprime pas complètement les inconvénients dus à l'instabilité du placage électrostati- que et, est en outre difficile à mettre en oeuvre à grande vitesse du fait de la nécessité de maintenir et de contrôler le niveau de la dépression du volume situé sous la filière. L'instabilité de cette dépression se traduit par une instabilité de la plaque en provenance de la filière. Une autre solution consiste à assurer la présence d'un film tras mince de liquide entre la face intérieure 8 de la plaque 2 et la surface du tambour 6. L'effet de cette pellicule liquide, d'une part, évite le report sur le film des imperfections géométriques du tambour et, d'autre part, contribue à favoriser 1'change thermique entre le film et le tambour. Le liquide utilisé peut entre soit de l'eau, soit tout autre liquide compatible à la fois avec la plaque à refroidir et avec la surface du tambour. Les différentes techniques utilisées pour déposer ce film liquide ne permettent pas, dès que des vitesses élevées sont envisagées, d'éviter l'utilisation du système de placage par lame d'air ou par effet électrostatique dont les inconvénients ont été signalés précédem- ment. La présente invention vise à fournir un procédé de refroidissement d'une plaque de matière thermoplastique fondue sur un tambour de refroidissement, à grande vitesse, ne nécessitant l'utilisation ni de lames d'air, ni-de dispositifs de placage électrostatique, ni de cylindre presseur. A cet effet, ce procédé consiste à réaliser le balayage du volume situé en amont de la ligne de contact entre la plaque 5 et ledit corps 6 par un gaz exempt d'air, à la pression atmosphérique ou à une pression îé go rement supérieure à celle-ci, choisi de telle façon que sa température de condensation à la pression atmosphérique soit supérieure à la température moyenne du corps de refroidissement, mais inférieure à la température moyenne de la filière et de la plaque thormoplastique à la sortie de celle-ci, l'intensité de balayage par le gaz étant suffisante pour chasser ltair contenu dans le volume considéré, tout en maintenant, à l'intérieur de celui-ci, une pression égale ou légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Cette méthode permet la création d'un film liquide de protection entre le tambour et la face intérieure de la plaque, qui améliore l'échange thermique plaque-tambour et protège la plaque des irrégularités de la surface du tambour. Cette méthode permet, en outre, d'induire un effet de placage équivalent au maximum à l'effet résultant de la pression atmosphérique qui continue à régner sur la face extérieure de la plaque, sans être compensée par la pression équivalente à l'intérieur des poches gazeuses incluses sous la plaque puisque celles-ci ont disparu par condensation. Il faut noter que cette technique est applicable à des polymères de viscosités très différentes1 et donne toute satisfaction à des vitesses de production sensiblement supérieures à celles traditionnelles. Selon un mode de mise en oeuvre de ce procédé, le gaz de balayage est constitué par de la vapeur d'eau avantageusement surchauffée. De toute façon, l'inventionsera bien comprise à l'aide de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif 1 une forme d'exécution d'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé Figure 7 est une vue très schématique de ce dispositif Figures-8 et 9 sont deux vues respectivement de l'avant et de l'arrière de la zone de contact entre la plaque thermoplastique et le tambour de refroidissement Figure 10 est une vue de l'installation de production de la vapeur d'eau utilisée comme gaz de balayage. Dans le cadre d'une installation connue, et décrite précédemment, le procédé selon l'invention consiste à réaliser le balayage du volume 20 situé en amont de la ligne de contact ai entre la plaque 5 et le tambour 6, à la pression atmosphérique ou à une pression très légèrement supérieure à la pression atmosphérique, par un gaz exempt d'air, provenant de l'évaporation d'un liquide choisi de telle façon que la température de condensation de ce gaz à la pression atmosphérique soit supérieure à la températurc moyenne de la surface du tambour 6, mais inférieure å la température moyenne de la filière i et de la plaque 5 de polymère a la sortie de la filière.L'intensité de balayage doit être suffisante pour chasser le volume ## d'air contenu dans le volume 20, tout en maintenant, à l'intérieur de ce volume, une pression égale ou très légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Dans ces conditions, les poches de gaz entraînées entre la face interne 8 de la plaque 2 et la surface du tambour 6 disparattront par condensation au contact de cette dernière, assurant, d'une part, la nation d'un film liquide de protection entre la plaque et le tambour et induisant, d'autre part, un effet de. placage du film sur le tambour. Quoique tout liquide remplissant les conditions indiquées précédemment puisse être utilisé, il a été constaté que l'eau convenait particulièrement bien. La température des polymères fondus à proximité de la filière, et de la filière elle-même est généralement comprise entre 200 et 300*C, ce qui est largement suffisant pour maintenir la vapeur d'eau à l'état gazeux. il a également été constaté que la surface du tambour ne dépassait jamais 80 à 90il, même à proximité immédiate de la ligne de contact 21 entre la plaque 2 et le tambour 6, ce qui constitue une valeur inférieure à la température de condensation de la vapeur d'eau. La valeur relativement basse de la surface du tambour résulte du refroidissement réalisé à l'intérieur de celui-ci, mais également de la mauvaise conductibilité thermique des matières thermo- plastiques, comparées à celles des aciers utilisés pour la fabrication des tambours. Les figures 8 et 9 représentent un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Le volume ao, situé entre la filière 4 et le tambour 6 en amont de la ligne de contact 21 entre la plaque 5 et celui-ci, est fermé par un carter métallique aa fixé à la filière 4 par des vis a2 permettant, grâce à la présence de lumières allongées 24, d'adapter la position du carter 22 en fonction de l'angle d'extrusion a. La partie inférieure 85 du carter est ouverte et limitée par le bord inférieur de ses faces latérales découpées ayant le même profil que le tambour 6, et pouvant être équipé de sabots, par exemple en bronze, évitant d'endo ager la surface chromée du tambour on cas de contact accidentel. La présence de ces sabots est également avantageuse car permettant de réduire l'échappement de vapeur et, par suite, la consommation de celle-ci. Le bord inférieur et postérieur 26 du carter est situé légèrement au-dessus du tambour t évitant un contact avec la surface chromée et ménageant, éventuellement, une fuite de vapeur vers l'arrière. Ce bord postérieur peut être équipé d'un joint racleur ou de tout autre dispositif non représenté au dessin, tel que brosse, barre ionisante etc..., contribuant au nettoyage de la surface du tambour 6 avant que celle-ci ne reçoive la plaque 2. il est intéressant que la vapeur d'eau utilisée soit de la vapeur d'eau surchauffée, et qu'à l'intérieur du carter 22 elle soit à une température correspondant sensiblement à la température de la filière et de la matière thermoplastique en sortie de celle-ci. En effet, cette homogénéité de température évite une dilatation incontrôlée de la vapeur au contact de la filière. Le fait d'utiliser de la vapeur à une température proche de celle de la filière, évite la perturbation du réglage de cette dernière, et permet de mieux contrôler la condensation de la vapeur enfermée dans le volume 20 au contact de la surface froide du tambour 6. Il a été, en effet, constaté que l'utilisation de vapeur sèche de préférence à de la vapeur saturée se traduit, à temps de contact égal, par une condensation plus faible en quantité, répartie plus régulièrement sur toute la largeur du tambour sous forme de gouttelettes très fines dont 1 'effet bénéfique a déjà été signalé. Afin d'assurer le maintien de la température de la vapeur à une valeur suffisante pour les raisons indiquées ci-dessus, le carter 22 peut être équipé de plaques de chauffage 27, par exemple électriques, quoique dans la plupart des cas, les résistances de chauffage dont est équipée la filière 4 soient suffisantes pour assurer le maintien de la température à la valeur souhaitée. L'alimentation du carter 22 en vapeur est réalisée par une tubulure 28, un orifice 29 assurant l'évacuation de la vapeur excédentaire, de telle sorte que le volume 20 demeure à la pression atmosphérique ou à une pression très légèrement supérieure à cette pression atmosphérique. Le carter comporte également des clapets de décharge 30 assurant ltévacuation de la vapeur excédentaire. La quantité de vapeur déposée sur le tambour en amont de la ligne de contact 21 peut être réglée soit par action sur la température de surchauffe de la vapeur, soit par modification de la surface de mise en correspondance du carter 22 et du tambour 6, cette surface pouvant être plus ou moins#occultée par l'intermédiaire de moyens non représentés au dessin. La vapeur d'eau peut être préparée conformément au dispositif représenté à la figure 10. L'eau est mise en ébullition dans une enceinte ouverte 31 à l'intérieur de laquelle le niveau est maintenu sensiblement constant par une alimentation régulée 32. L'enceinte est maintenue à une température supérieure à lOOC par chauffage par un jeu de résistances électriques 21 Une partie de la vapeur est évacuée par une ouverture calibrée 34 évitant la montée en pression, et évitant la pénétration d'air à l'intérieur de l'enceinte 31. Le reste de la vapeur sert à alimenter le volume 20 par une canalisation 35, maintenue à une température proche de la température de la filière par des résistances de chauffage électrique 36 par exemple. Un organe de réglage 37 permet de régler le débit de vapeur alimentant le volume 20 par l'orifice 28. il est intéressant d'utiliser, pour la préparation de vapeur, de l'eau elle-même obtenue par distillation, c(e#t-à-dire exempte, dans la mesure du possible, de sels minéraux qui pourraient se déposer lors de la condensation, et exempte de gaz inclus, qui présentent l'incontinient de constituer, à l'intérieur du volume 20, un résidu gazeux incondensable. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas au seul mode de mise en oeuvre de ce procédé, ni au seul dispositif, décrits ci-dessus à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation. C'est ainsi notamment que le gaz utilisé pourrait être autre que de la vapeur d'eau, ou que les moyens de distribution de celui-ci pourraient être différents, le réglage de la quantité d'eau déposée par condensation sur la surface refroidie étant réalisé par action sur la température de surchauffe de la vapeur, sans que l'on sorte pour autant du cadre de l'invention. - REVENDICATIONS 1. - Procédé de refroidissement d'une plaque de matière thermoplastique fondue au contact d'un corps maintenu à basse température, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser le balayage du volume (20) situé en amont de la ligne de contact (21) entre la plaque (5) et ledit corps (6) par un gaz exempt d'air, à la pression atmosphérique ou à une pression légèrement supérieur. à celle-ci, choisi de telle façon que sa température de condensation à la pression atmosphérique soit supérieure à la température moyenne du corps de refroidissement, mais inférieure à la température moyenne de la filière et de la plaque thermoplastique à la sortie de celle-ci, l'intensité de balayage par le gaz étant suffisante pour chasser l'air contenu dans le volume considéré, tout en maintenant,à l'intErieur de celui-ci, une pression égale ou légèrement supérieure à la pression atmosphérique. 2. - Procédé selon la revendication i, caractérisé en ce que la température maintenue dans la zone de balayage par le gaz est sensiblement égale à la température de la filière. 3. - Procédé selon l'une quelconque des revendications i et a, caractérisé en ce que le gaz de balayage est constitué par de la vapeur d'eau. 4. - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le gaz de balayage est constitué par de la vapeur d'eau surchauffée. 5. - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, du type comprenant une filière dispose à ltextrémité atal d'une extrudeuse et assurant la formation d'une plaque de matière thermoplastique dont le refroidissement est réalisé au contact d'un tambour pivotant, à l'intérieur duquel est monté un circuit de refroidissement par eau, caractérisé en ce qu'il comprend un carter qui, assurant la fermeture du volume situé entre la filière et le tambour et présentant une ouverture en amont de la zone de contact entre la plaque et le tambour, est alimenté en gaz de balayage, au moins un orifice étant prévu pour l'échappement de la vapeur excédentaire. 6. - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le carter entoure la filière et est fixé sur celle-ci avec possibilité de réglage, afin d'adapter sa position en fonction de l'angle d'extrusion de la matière thermoplastique. 7. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la partie inférieure de chaque face latérale du carter est découpée au profil du tambour et est équipée de sabots. 8. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications s à 7, caractérisé en ce que le bord postérieur et inférieur du carter est situé légèrement au-dessus du tambour et est équipé d'un organe de nettoyage de celui-ci. 9. - 'Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le carter est équipé de moyens de chauffage. 10. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que le carter est équipé de moyens de réglage de la section de passage assurant la mise en communication de son volume intérieur avec la surface du tambour, et permettant de régler le volume liquide déposé par condensation sur la surface refroidie (6), en occultant plus ou moins la surface du volume (20) située en regard de cette surface refroidie (6). il. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que la quantité d'eau déposée par condensation sur la surface refroidie (6) est réglée par action de température de surchauffe de la vapeur.