Brevet FR2640190A1 — publié le 19900615

L'invention concerne une extrudeuse à une ou deux vis pour l'insertion d'additifs sous forme de pou- dres ou de fibres dans une masse fondue d'une matière thermoplastique, comportant une ouverture de remplissage pour la matière plastique présente sous la forme de gra- nulés et devant être fondue lors de la traversée d'une section d'entrée et de la section suivante de dosage, et comportant une seconde ouverture de remplissage pour les additifs. Une extrudeuse à deux vis du type indiqué est connue d'après le brevet US 3 453 356. Une matière thermoplastique est introduite et fondue dans une première ouverture de remplissage. On in- troduit alors dans la matière plastique fondue, des fibres de verre subdivisées, par une seconde ouverture de remplissage disposée en aval. Un filetage hélicoïdal d'entraînement est dis- posé sur la vis au-dessous de la seconde ouverture de remplissage, qui occupe en soi une surface importante du cylindre intérieur. L'opération d'entraînement réalisée par une extrudeuse est obtenue au moyen d'une adhérence de la masse fondue sur la paroi intérieure du cylindre avec un raclage simultané de la masse fondue par le file- tage hélicoïdal. La puissance d'entraînement produite par le filetage hélicoïdal de la vis, qui repousse devant elle la matière, est d'autant supérieure que la matière adhère mieux à la paroi intérieure du cylindre. Etant donné qu'une partie importante de la sur- face cylindrique nécessaire pour l'entraînement de la ma- tière est utilisée par la surface de la seconde ouverture de remplissage, on a constaté un entraînement très défec- tueux de la matière dans cette partie des extrudeuses. La matière subsiste sur une étendue importante à l'intérieur des filets de vis sous la forme d'un écoulement en bloc ou laminaire, sans exécuter un mouvement de dégagement contre la paroi du cylindre intérieur, lorsque cette pa- roi, c'est-à-dire dans ce cas la surface intérieure du cylindre, est absente en raison de la présence de la se- conde ouverture de remplissage. Sur le marché, on a besoin de plus en plus de matières plastiques possédant des propriétés particu- lières. Afin de conférer ces propriétés à ces matières plastiques, il faut mélanger à ces matières plastiques notamment des additifs comme par exemple un type particu- lier de noir de fumée sous la forme d'une poudre ou de fibres et analogue. On se trouve confronté à de grandes difficultés pour mélanger par exemple du noir de fumée libre sous forme de poudre dans des polymères fondus et pour obtenir un mélange très homogène. En particulier, lorsqu'on fabrique une feuille mince (25 pim) d'une ma- tière plastique spéciale, l'existence d'une homogénéité absolue est d'une importance déterminante. D'autre part, un débit élevé également dans le cas d'une extrudeuse utilisée pour des matières plasti- ques spéciales présente une grande valeur économique étant donné que les coûts d'investissement pour une ins- tallation d'extrusion sont élevés. Pour obtenir une bonne homogénéité de la matière plastique à laquelle sont mé- langés les additifs, on a utilisé jusqu'alors de très longues extrudeuses, ce qui permettait d'obtenir une ho- mogénéité correspondante, au moyen d'un allongement du temps de mélange. Cependant, les extrudeuses plus longues augmentent d'une manière plus que proportionnelle le coût d'investissement, qui est nécessaire. L'invention a pour but de perfectionner une ex- trudeuse à une ou deux vis comportant une seconde ouver- ture de remplissage de la matière de manière à permettre l'obtention de très bons résultats d'homogénéisation, sans entraîner une construction onéreuse de la vis et sans qu'il soit nécessaire d'utiliser une longue extru- deuse. Les résultats d'homogénéisation de matières plas- tiques également très difficiles à mélanger, par exemple de matières plastiques très visqueuses et du noir de fu- mée libre, doivent être améliorés. Ce problème est résolu conformément à l'inven- tion à l'aide d'une extrudeuse du type indiquée plus haut, grâce au fait que des disques sont disposés au voi- sinage de la seconde ouverture de.remplissage de l'extru- deuse, à la place de la vis comportant un filetage héli- coïdal, que les disques sont disposés selon une disposi- tion alternée avec des disques-entretoises, que les dis- ques possèdent, sur leurs pourtours extérieurs, un profi- lage produisant l'entraînement et possèdent un diamètre extérieur correspondant approximativement au diamètre in- térieur du carter,. que les disques-entretoises possèdent un diamètre correspondant approximativement au diamètre du noyau de la vis dans la zone de remplissage, et que les disques et les disques-entretoises possèdent une épaisseur comprise entre 0,1 et 1,5 D, D représentant le diamètre de la vis. Selon une caractéristique de l'invention, la seconde ouverture de remplissage pour les additifs sous forme de poudres ou de fibres possède une longueur com- prise entre 0,5 et 3 D. Selon une caractéristique de l'invention, les disques et les disques-entretoises des vis juxtaposées sont disposés en alternance les uns à la suite des autres dans la direction de travail sur des tirants d'ancrage et sont agencés de manière à s'engager entre les disques et les disques-entretoises de la vis voisine de sorte qu'en vis-àvis des disques respectifs d'une vis sont disposés des disques-entretoises de la vis voisine. Selon une caractéristique de l'invention, les disques sont réalisés sous la forme de disques à deux pointes. Selon une caractéristique de l'invention, les disques sont réalisés sous la forme de disques à trois pointes. Selon une caractéristique de l'invention, les disques sont réalisés sous la forme de disques excentrés. La mise en place des disques produisant l'en- traînement, situés entre des sections de vis au-dessous de l'ouverture de remplissage prévue pour les additifs, provoque un entraînement de la masse fondue dans cette zone. Par exemple dans le cas d'une application de l'enseignement conforme à l'invention à une extrudeuse à deux vis, le flux de la masse fondue est refoulé depuis l'espace libre présent entre les disques d'une vis en di- rection de l'espace présent entre les disques de la vis voisine. On obtient par conséquent un mélange longi- tudinal et un mélange transversal de la masse fondue. Un additif en forme de poudre est introduit im- médiatement dans la masse fondue par les disques qui pos- sèdent de préférence, sur leur pourtour extérieur, une denture oblique se présentant sous la forme de rainures obliques, et participe à une première opération de mé- lange avec cette masse fondue. La denture oblique, qui produit l'effet d'entraînement, des pourtours extérieurs des disques repousse la masse fondue et l'additif à l'état de poudre dans l'espace intercalaire présent entre deux disques. L'espace intercalaire est formé par un disqueentretoise, qui possède un diamètre inférieur qui correspond approximativement au diamètre du noyau de la vis dans la zone de remplissage de la vis. Dans le cas de deux vis, le diamètre du noyau des deux vis est en géné- ral identique sur toute la longueur des vis. Dans le cas d'extrudeuses à une vis, le diamètre du noyau de la vis augmente en général depuis la zone de dosage en direction de travail. On introduit des additifs en forme de poudres ou de fibres dans la seconde ouverture de remplissage. On obtient par conséquent une introduction immédiate de la matière qui avance en participant à une opération de mé- lange étonnamment bonne. La puissance d'entraînement de l'extrudeuse par rapport à des extrudeuses comportant un filetage hélicoïdal dans la zone de la seconde ouverture de remplissage est accrue d'une manière inattendue. La puissance d'entraînement accrue est probablement impu- table au fait que dans la zone de la seconde ouverture de remplissage, l'écoulement laminaire, qui sinon est usuel entre les filets de la vis et n'a aucune action d'entraînement, sans un dégagement de la masse fondue contre la paroi intérieure du cylindre, est détruit. Les disques réalisent également, par l'intermédiaire de leurs pourtours extérieurs dentés, un entraînement et un mé- lange de la matière au-dessous de l'ouverture de rem- plissage. Dans le cas de l'utilisation de l'invention dans des extrudeuses à deux vis, la disposition décalée des disques et des disques- entretoises par rapport aux disques et disques-entretoises de la vis voisine permet d'obtenir un entraînement de la masse fondue et des addi- tifs respectivement dans la direction de travail par l'intermédiaire des pourtours extérieurs des disques en direction de l'espace libre présent entre les disques possédant un diamètre inférieur et la paroi intérieure du cylindre de la vis voisine. On obtient un entraînement de la masse fondue respectivement depuis un espace interca- laire libre présent entre les disques, en direction de l'espace intercalaire opposé présent entre les disques de la vis voisine, ce qui permet d'obtenir une introduction rapide des additifs dans la masse fondue. La denture oblique présente sur les pourtours extérieurs des disques circulaires réalise un entraîne- ment de la masse fondue. Simultanément le mélange est étalé ou subdivisé sous la forme de couches très minces, ce qui favorise plus encore l'introduction remarquable d'additifs en forme de poudres ou de fibres. Le flux de la masse fondue est à nouveau subdivisé par chaque dent et réarrangé. On obtient une introduction remarquable des particules de substance solide sur la base de ce réarran- gement multiple en couches de tous les constituants, no- tamment dans le cas de matières plastiques très vis- queuses, difficiles à mélanger. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après, prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente une coupe longitudi- nale d'une extrudeuse à une vis; - la figure 2 représente une vue en plan d'une coupe longitudinale d'une extrudeuse à deux vis; - la figure 3 représente une coupe transversale de disques dentés, prise suivant la ligne III-III sur la figure 2; - la figure 4 représente une coupe transversale de disques à deux pointes, analogue au disque représenté sur la figure 3; - - la figure 5 représente une coupe transversale de disques à trois pointes; et - la figure 6 représente une coupe transversale de disques circulaires montés de façon excentrée. L'extrudeuse à une vis représentée sur la fi- gure 1 possède une vis 1 logée dans un cylindre 2. Deux ouvertures de remplissage 3 et 4 pour une matière thermo- plastique sont ménagées dans le cylindre. La vis comporte des disques 5 au-dessous de l'ouverture de remplissage 4. Les disques 5 peuvent être fabriqués par fraisage à partir d'une pièce de forme cy- lindrique ou bien être également constitués par des disques séparés 5, qui sont emmanchés sur une broche axiale 7. Des disques-entretoises circulaires 6 sont dis- posés sur la broche 7 entre les disques 5. Les disques peuvent être circulaires ou même anguleux, comme cela est représenté sur les figures 3-6. Sur la figure 3, on a représenté une coupe transversale de disques 5, qui correspond approximative- ment à la ligne III-III sur la figure 2. Dans cette forme de réalisation, les pourtours extérieurs 8 des disques possèdent un profilage formé par des rainures axiales 9. Les rainures 9 sont disposées axialement parallèlement à l'axe longitudinal de la vis. La forme de réalisation, représentée sur les figures 1 et 2, des disques 5 com- prend des rainures obliques 10, qui confèrent au disque 5 une action d'entraînement. Sur la figure 2, on a représenté une vue en plan d'une extrudeuse comportant deux vis 11 et 12, qui tournent dans le même sens et sont formées par des par- ties individuelles de vis, emmanchées sur des tirants d'ancrage 13 et 14. Sinon, on peut également fabriquer les vis 11 et 12 en un matériau cylindrique massif. Des disques 5 sont disposés, en étant alternés avec des disquesentretoises 6, au-dessous de la seconde ouverture de remplissage 4. Entre les disques 5 et les disques-entretoises 6 il subsiste respectivement des es- paces intercalaires 16 à 22. Une matière plastique présente sous la forme d'une masse fondue est entraînée par les éléments 12 et 13 des vis, dans l'espace intercalaire 16. La masse fon- due suivante pénètre alors dans l'espace intercalaire 17 immédiatement suivant, sur le côté opposé, une fois que la masse fondue a franchi les pourtours extérieurs 8 des disques et les rainures 10. Lors de la poursuite du déplacement, la masse fondue parvient par l'intermédiaire des rainures respec- tives 10, dans les espaces intercalaires 18 à 22. Par conséquent, la masse fondue est entraînée en va-et-vient respectivement depuis une partie de disque, déposée sur des tirants d'ancrage 14, en direction d'une partie voi- sine de disque, située sur des tirants d'ancrage 13, de sorte que l'on obtient des couches très minces. On ob- tient par conséquent un mélange longitudinal et un mé- lange transversal, remarquables. - L'écoulement en bloc dans les filets de vis, que l'on constate au-dessous de l'ouverture de remplissa- ge conformément à l'état de la technique et qui est pro- voqué par l'absence de la surface intérieure cylindrique dans la zone de l'ouverture de remplissage, est évité. On obtient par conséquent un réarrangement permanent au moyen des disques, qui conduit à la formation de nou- velles surfaces. De façon étonnante, on obtient un bon entraînement de la matière au moyen de la forme de réali- sation conforme à l'invention de la section de vis située au-dessous de la seconde ouverture de remplissage, en dé- pit du fait qu'une partie de la surface intérieure cylin- drique pour l'opération d'entraînement est amputée de la surface correspondant à l'ouverture de remplissage. En particulier dans le cas de masses fondues de matières plastiques très visqueuses,. on a constaté un accroisse- ment du débit de l'extrudeuse. Sur les figures 4'à 6, on a représenté d'autres formes de réalisation des disques. Sur les figures 4 et , on a représenté ce qu'on appelle des disques 23 à deux pointes et des disques 24 à trois pointes, qui réalisent un raclage l'un sur l'autre lors de leur rotation et fournissent par conséquent un effet intense d'auto-net- toyage. Le mélange est laminé sous la forme de fines couches, ce qui permet d'obtenir une action de mélange remarquable. Sur la figure 6, on a représenté des disques circulaires mais qui sont montés de façon excentrée sur les broche des vis. Un disque-entretoise 27 est disposé sur la tige de vis voisine 13, en vis-à-vis du disque 26, ce qui fait apparaître des espaces intercalaires 28. Les espaces intercalaires 28 sont respective- ment décalés, ce qui permet d'obtenir, dans le cas de vis tournant dans le même sens, un déplacement de la masse fondue dans la direction d'entraînement, tout en produi- sant simultanément de nombreuses couches minces du mé- lange, ce qui produit un bon mélange longitudinal et un bon mélange transversal. Des rainures s'étendant obliquement par rapport à l'axe des vis sont ménagées sur les pourtours exté- rieurs des disques 23 et 24 à deux pointes ou à trois pointes, de manière à accroître l'action d'entraînement fournie par ces disques. Exemples comparatifs On a effectué des essais avec du polyéthylène haute densité, que l'on a inséré à l'état de granulés dans la première ouverture de remplissage et qui était présent sous la forme d'une masse fondue au niveau de la seconde ouverture de remplissage. On utilise une extrudeuse à deux vis, comme cela est décrit dans le brevet US 3 453 356 mentionné précédemment. Au moyen de la seconde ouverture de remplissa- ge, on a introduit, d'une manière dosée, 40 % de noir de fumée libre, dans la masse fondue de polyéthylène haute densité. L'extrudeuse comportait des vis possédant un diamètre D égal à 60 mm et une longueur égale à 20 D. La vitesse de rotation des vis était de 300 tours par mi- nute. On a mesuré un débit de 80 kg à l'heure. L'homogé- néité du mélange est mauvaise de sorte que l'on ne peut fabriquer, à partir de ce mélange, que des articles mou- lés de qualité secondaire. Lors d'un essai comparatif effectué avec une extrudeuse comportant deux vis possédant un diamètre D égal à 60 mm et une longueur de vis égale à 10 D (300 tours par minute),. mais comportant des disques possédant une épaisseur égale à 0,75 D, on a obtenu un débit de kg à l'heure. En particulier, le mélange de matière plastique possède une homogénéité remarquable, ce que l'on constate lorsqu'on fabrique,- avec un tel mélange, une feuille de matière plastique possédant une épaisseur de 25 pm, à l'aide du procédé de soufflage. REVENDICATIONS 1. Extrudeuse à une ou deux vis pour l'inser- tion d'additifs sous forme de poudres ou de fibres dans une masse fondue d'une matière thermoplastique, com- portant une ouverture de remplissage (3) pour la matière plastique présente sous la forme de granulés et devant être fondue lors de la traversée d'une section d'entrée et de la section suivante de dosage, et comportant une seconde ouverture de remplissage (4) pour les additifs, caractérisé par le fait que des disques (5,23,24,25) sont disposés au voisinage de la seconde ouverture de remplissage (4) de l'extrudeu- se, à la place de la vis comportant un filetage hélicoï- dal, que les disques sont disposés selon une disposition al- ternée avec des disques-entretoises (6,27), que les disques (5,23,24) possèdent, sur leurs pourtours extérieurs, un profilage produisant l'entraînement et possèdent un diamètre extérieur correspondant approxima- tivement au diamètre intérieur du carter, que les disques-entretoises (6, 27) possèdent un diamètre correspondant approximativement au diamètre du noyau de la vis dans la zone de remplissage, et que les disques (5,23,24, 25) et les disques-entretoise (6,27) possèdent une épaisseur comprise entre 0,1 et 1,5 D, D représentant le diamètre de la vis. 2. Extrudeuse à une ou deux vis selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que la seconde ouverture de remplissage (4) pour les additifs sous forme de poudres ou de fibres possède une longueur comprise entre 0,5 et 3 D. 3. Extrudeuse à deux vis selon la revendication 1, caractérisée en ce que les disques (5,23,24,25) et les disques-entretoises (6,27) des vis juxtaposées (11,12) sont disposés en alternance les uns à la suite des autres dans la direction de travail sur des tirants d'ancrage (12,14) et sont agencés de manière à s'engager entre les disques (5,23,24) et les disques-entretoises (6,27) de la vis voisine de sorte qu'en vis-à-vis des disques respec- tifs d'une vis (11) sont disposés des disques-entretoises de la vis voisine (12). 4. Extrudeuse à une ou deux vis selon les re- vendications 1 et 3 prises dans leur ensemble, caractéri- sée en ce que les disques sont réalisés sous la forme de disques (23J) à deux pointes. 5. Extrudeuse à une ou deux vis selon les re- vendications 1 et 3 prises dans leur ensemble, caractéri- sée en ce que les disques sont réalisés sous la forme de disques (24) à trois pointes. 6. Extrudeuse à une ou deux vis selon les re- vendications 1 et 3 prises dans leur ensemble, caractéri- sée en ce que les disques sont réalisés sous la forme de disques excentrés (25,26).