Brevet FR2635482A1 — publié le 19900223

Procédé et filière pour l'extrusion de tuyaux en matière thermoplastique La présente invention concerne un procédé et une filière pour l'extrusion de tuyaux en matière thermoplastique qui conviennent particulièrement pour la production de tuyaux de grands diamètres c'est-à-dire de tuyaux ayant des diamètres externes au moins égaux à 250 mm. Pour l'extrusion de tels tuyaux en matière thermoplastique, il convient d'utiliser une extrudeuse équipée d'une filière ronde annulaire ayant pour fonction d'ouvrir le flux annulaire de matière thermoplastique fondue débité par l'extrudeuse aux dimensions requises pour la production du tuyau désiré. Le recours, à cet effet, à une filière ronde présentant uniquement un canal annulaire divergent amenant le flux annulaire de matière thermoplastique aux dimensions du tuyau désir& raccordé directement à un canal droit annulaire de conformation du tuyau, ne permet pas, en général, d'atteindre directement un. résultat satisfaisant. En effet, lors de son passage au travers du divergent, la matière thermoplastique débitée, qui se trouve i l'état visco-élastique, devient le siège de tensions radiales induites avec pour conséquence que le tuyau débit& se rétracte radialement au sortie du canal droit annulaire de conformation suite à la relaxation de ces tensions radiales induites. Il-en résulte donc que le tuyau finalement produit présente un diamètre externe difficilement contrôlable et nettement inférieur au diamètre externe de l'orifice annulaire du canal droit annulaire de conformation. Pour pallier ce phénomène indésirable on est, dès lors, contraint jusqu'à priésent, d'avoir recours à des filières rondes annulaires dont le canal annulaire divergent amène le flux de matière thermoplastique débitée par l'extrudeuse I un diamètre externe nettement supérieur à celui du tuyau désiré, ce canal 2 2- divergent étant suivi d'un canal annulaire convergent qui a pour double fonction de permettre un relâchement suffisant des tensions radiales induites dans la matière thermoplastique par le canal divergent et de ramener progressivement le flux de cette matière aux dimensions du canal droit annulaire de conformation du tuyau subséquent, c'est-à-dire, en fait, aux dimensions du tuyau désiré. Une telle filière est décrite et illustrée à la page 331 de l'ouvrage "Kunststoff-Extrudertechnik" de G.SCHENKEL, Edition C. Verlag, Munich 1963. Toutefois, lorsqu'on utilise ce type de filière pour la production de tuyaux de grands diam&tres, on est contraint de réaliser des filières qui sont très encombrantes et de poids très élevé. En outre, la présence d'un canal annulaire divergent- convergent entraîne la nécessité de prévoir des ailettes pour soutenir le noyau interne de la fili&re ronde, ces ailettes entrainant la formation de marques longitudinales sur le tuyau produit qui nuisent à son aspect et constituent des zones de fragilité mécanique. On peut certes réduire fortement voire même supprimer ce dernier inconvénient en prévoyant une zone de passage de section rétrécie dans le canal droit de conformation ainsi qu'il est proposé dans la demande de brevet français 88.09125 du 4 juillet 1988. Il en demeure néanmoins que de telles filières sont coûteuses, encombrantes et difficilement maniables compte tenu de leur poids. La présente invention a, dès lors, pour premier objectif de fournir un procédé pour l'extrusion de tuyaux en mati&re thermo- plastique qui n'entraîne plus les inconvénients sus-mentionnés et qui autorise le recours direct à une filière ronde annulaire comportant un canal annulaire divergent amenant directement le flux annulaire de matière thermoplastique débité aux dimensions du tuyau désiré. L'invention concerne dès lors un procédé pour l'extrusion de tuyaux en matière thermoplastique au travers d'une filière ronde -3- annulaire comportant un canal annulaire divergent raccordé direc- tement à un canal droit annulaire de conformation du tuyau dans laquelle le rapport entre le diamètre interne de la section annu- laire de sortie du divergent et le diamètre interne de la section annulaire d'entrée du divergent est au moins égal à 2 et dans laquelle le canal droit annulaire de conformation du tuyau présente une zone annulaire de passage étranglée en amont de son orifice de sortie qui se caractérise en ce qu'on choisit la géométrie de la zone annulaire de passage étranglée en fonction du débit d'extrusion de la matière thermoplastique de façon telle que la vitesse de déformation de là matière thermoplastique dans la zone annulaire de passage étranglée soit au moins égale à 0,1 sec-1 et, de préférence supérieure à 0,5 sec'1. Il a en effet été constaté qu'en respectant la caractéris- tique précitée il est possible d'extruder des tuyaux en matière thermoplastique de diamètres importants en utilisant une filière ronde annulaire comportant un canal annulaire divergent amenant directement le flux de matière thermoplastique fondue aux dimen- sions des tuyaux à produire et ce, en réduisant très fortement et même en supprimant toute tendance de contraction radiale des tuyaux extrudés au sortir de la filière. En fait, on présume que la vitesse de déformation imposée à la matière thermoplastique lors de son passage dans la zone annu- laire étranglée a pour effet d'induire dans celle-ci des tensions internes longitudinales qui semblent neutraliser les effets des tensions internes radiales induites dans celle-ci par son passage au travers du canal annulaire divergent. Le procédé conforme à l'invention peut être exploité pour la production de tuyaux en n'importe quelle matière thermoplastique mais il se révèle particulièrement avantageux, compte tenu de la simplicité de la filière utilisée, pour la mise en oeuvre de matières thermoplastiques réputées thermosensibles. Le procédé conforme à l'invention peut non seulement être exploité pour la production de tuyaux réalisés en une seule matière thermoplastique mais encore pour la production de tuyaux -4- composites multicouches extrudis à partir de matières thermo- plastiques différentes dont certaines peuvent être expansibles et ce, en faisant appel à un bloc de répartition classique disposé en amont de la filière; Le procédé conforme à l'invention se révèle particulièrement avantageux pour l'extrusion de tuyaux de grands diamètres compte tenu du fait qu'il permet le recours à des filières plus légères que les filières à divergent-convergent exploitées jusqu'i prisent mais il est bien évident que son intérêt n'est nullement limité i la production de tels tuyaux. Il est aussi évident que le procédé conforme à l'invention n'est nullement limits i la production de tuyaux de section circulaires mais qu'il peut être exploité pour la production de profilés creux présentant des sections quelconques déterminées par la géométrie du canal droit de conformation. L'invention a également pour objectif de fournir une filière qui convient particulièrement pour la réalisation du procédé sus décrit. L'invention concerne donc également une filière ronde annu- laire comportant un canal annulaire divergent raccordé direc- tement à un canal droit annulaire de conformation dans laquelle. le rapport entre le diamètre interne de la section annulaire de sortie du divergent et le diamètre interne de la section annu- laire d'entrée du divergent est au moins égal i 2 et dans laquelle le canal droit annulaire de conformation présente une zone annulaire de passage étranglée en amont de son orifice de sortie qui se caractérise en ce que le rapport entre la section de passage en amont de la zone annulaire de passage étranglée et la section de la zone annulaire de passage étranglée est comprise entre 1,5 et 10 et de préférence entre 2 et 8. Il a en effet été constaté qu'en utilisant une filière répondant à cette caracté- ristique, il est possible de produire des tuyaux très satis- faisants avec une gamme de productivités industriellement accep- tables. Selon un mode particulier de réalisation de la filière selon --5-- l'invention, la zone annulaire de passage étranglée est consti- tuée par un accroissement linéairement progressif du diamètre interne de la section annulaire de passage du canal annulaire de conformation. Selon un autre mode de réalisation, la zone annulaire de passage étranglée est constituée par une diminution linéairement progressive du diamètre externe de la section de passage annu- laire du canal annulaire de conformation. Il est toutefois bien évident que la zone annulaire de passage étranglée peut être constituée à la fois par un accroissement et par une diminution des diamètres interne et externe de la section annulaire de passage du canal de conformation. Afin d'éviter tout risque de stagnation de matière thermoplastique, il convient que l'accrois- sement et/ou la diminution des diamètres interne et/ou externe précités soient réalisés selon des pentes de 5 à 35 d'angle. La longueur de la zone annulaire de passage étranglée n'est pas critique, celle-ci peut varier entre 1 et 100 mm. La zone annulaire de passage étranglée peut être située directement à l'entrée du canal droit annulaire de conformation ou être écartée de cette entrée, mais il convient que la distance entre la fin de cette zone et l'orifice de sortie du canal droit annulaire de conformation soit d'au moins 50 mm de façon à assurer la conformation, dans la partie terminale de ce canal, d'un tuyau ayant l'épaisseur de paroi requise nonobstant la présence de la zone annulaire de passage étranglée. La vitesse de déformation subie par la matière thermo- plastique dans la zone annulaire de passage étranglée de la filière conforme à l'invention peut s'exprimer par la relation: (à 1) dans laquelle: e est la vitesse de déformation Qv est le débit volumique de matière thermoplastique L est la longueur de la zone de convergence S1 est la section de passage en amont de la zone annulaire de passage étranglée -6- S2 est la section de passage dans la zone annulaire de passage étranglée. Cette vitesse de déformation peut également s'exprimer avec une bonne approximation par la relation: () V2_e2)\ e dans laquelle: V2 est la vitesse moyenne de la matière thermoplastique dans la zone annulaire de passage étranglée el est l'épaisseur du flux de matière thermoplastique avant la zone annulaire de passage étranglée e2 est l'épaisseur du flux de matière thermoplastique dans la zone annulaire de passage étranglée Ces relations permettent dès lors de déterminer les para- mètres géométriques de la zone annulaire de passage étranglée en fonction du débit d'extrusion souhaité et des caractéristiques géométriques (diamètre, épaisseur voire section du tuyau à produire). Dans la fig.l des dessins annexes on a par ailleurs repré- senter schématiquement une filière ronde selon l'invention dans laquelle les différents paramètres géométriques ont été expli- cites. La filière conforme à l'invention est par ailleurs expli- citée plus en détail dans la description qui va suivre d'un exemple de réalisation pratique et dans laquelle on se réfèrera à la fig. 2 des dessins annexes, la fig.2 étant une vue en coupe d'une filière conforme à l'invention exploitée avec un bloc de répartition en vue de la production d'un tuyau multicouche. Ainsi qu'il apparait sur cette figure, la filière ronde 1 conforme à l'invention est constituée d'un noyau interne 2 et d'un fourreau externe 3 qui délimitent successivement entre eux un canal annulaire divergent 4 et un canal droit de conformation dont la section correspond sensiblement à celle du tuyau à produire. Le noyau interne 2 est fixé directement sur un prolon- gement 6 du noyau interne 7 d'un bloc de répartition 8 classique -7partiellement représenté et conçu de façon à débiter un flux annulaire et multicouche des matières plastiques constitutives du tuyau à produire. Du fait que le noyau interne 2 est allégé et de longueur réduite il n'est pas nécessaire de prévoir son soutien par des aillettes porte-noyau. Le fourreau externe 3 de la filière 1 est fixé directement au fourreau 9 du bloc de ripar- tition 8. Conformément à l'invention, le canal droit de conformation 5 présente une zone de passage étranglée 10 qui est obtenue par une réduction locale du diamètre externe de la section annulaire de passage de ce canal. Les résultats obtenus par le procédé et grâce à la filière selon l'invention sont en outre mis en évidence par les essais pratiques relatés ci-après et dans lesquels l'essai 1R donné à titre de référence de comparaison est exclu du cadre de la présente invention. Essai iR Pour réaliser cet essai on a utilisé une filière telle qu'illustrée à la fig.2 des dessins annexés mais pratiquement dépourvue de zone de passage étranglée dans le canal droit de conformation, ladite filière étant raccordée directement à une extrudeuse débitant un flux annulaire monocouche de polychlorure de vinyle. Les caractéristiques de cette filière ainsi que les caractéristiques de débit sont reprises au tableau 1 ci-après. On constate que dans cet essai, la vitesse de déformation de la matière plastique au niveau du canal de conformation est infé- rieure à 0,1 sec-1. La dernière colonne du tableau De/Df donne le rapport entre le diamitre externe du tuyau obtenu et le diamitre externe du canal droit de conformation. Il apparatt ainsi que le tuyau produit se rétracte radialement de façon considérable I sa sortie de la filière. Essai 2 et 3 On a procédé comme dans l'essai 1R mais en utilisant des filières telles qu'illustrées à la fig.2 des dessins annexés et équipées cette fois d'une zone de passage étranglée conforme à -8- l'invention dans le canal droit de conformation. Les caractéristiques géométriques des filières ainsi que les caractéristiques de débit sont également reprises au tableau 1 ci-après. On constate cette fois que la vitesse de déformation de la matière plastique dans la zone de passage étranglée est supérieure à 0,1 sec-1 et que le tuyau produit-ne se rétracte pratiquement pas dans le sens radial après sa sortie de la filière. La w -o Essai Di D2 D2/D1 el e2 L siS2 QM QV V2 ú De/Df mm mm: mm mm mm2 mm2 kg/h mm3/sec mm/sec 1/sec 1 103 308,5 2,995 9 8,5 10 8,72.103 8,24.103 315 6,25.104 7,59 0,04 0,79 2 104,5 314 3. 10 2 10 9,86.103 1,97.103 197 3,91.104 19,81 1,6 0,92 l 3 104,5 313 2,995 10 3 10 9,83.103 2,95.103 385 7,64.104 25,89 1,83 0,95 I.- oC (dans le tableau Q(A est le d6bit masaique et Qv le débit volumique, ces débits étant reliés par la relation: Qv - QM/p, p étant la densité de la matière thermoplastique extrud4e). lIx ul re t ty{ cé - 10 - R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Procédé pour l'extrusion de tuyaux en matière thermoplastique au travers d'une filière ronde annulaire comportant un canal annulaire divergent raccordé directement à un canal droit annulaire de conformation du tuyau dans laquelle le rapport entre le diamètre interne de la section annulaire de sortie du divergent et le diamètre interne de la section annulaire d'entrée du divergent est au moins égal à 2 et dans laquelle le canal droit annulaire de conformation présente une zone annulaire de passage étranglée en amont de son orifice de sortie caractérisé en ce qu'on choisit la géométrie de la zone annulaire de passage étranglée en fonction du débit d'extrusion de la matière thermoplastique de façon telle que la vitesse de déformation de la matière thermoplastique dans la zone annulaire de passage étranglée soit au moins égale à 0,1 sec-1. 2 - Filière pour la réalisation du procédé selon la revendication 1 comportant un canal annulaire divergent raccordé directement à un canal droit annulaire de conformation dans laquelle le rapport entre le diamètre interne de la section annu- laire de sortie du divergent et le diamètre interne de la section annulaire d'entrée du divergent est au moins égal à 2 et dans laquelle le canal droit annulaire de conformation présente une zone annulaire de passage étranglée en amont de son orifice de sortie caractérisée en ce que le rapport entre la section de passage en amont de la zone annulaire de passage étranglée et la section de la zone annulaire de passage étranglée est compris entre 1,5 et 10. 3 - Filière selon la revendication 2 caractérisée en ce que la zone annulaire de section de passage étranglée est constituée par un accroissement linéairement progressif du diamètre interne de la section annulaire du passage du canal droit annulaire de conformation. 4 - Filière selon la revendication 2 caractérisée en ce que la zone annulaire de section de passage étranglée est constituée par une diminution linéairement progressive du - il - diamètre externe de la section annulaire de passage du canal droit annulaire de conformation. - Filière selon la revendication 2 caractérisée en ce que la distance entre l'extrémité de la zone de passage étranglée et l'orifice de sortie du canal droit annulaire de conformation est au moins égale I 50 mm.