Brevet FR2810577A1 — publié le 20011228

Tête d'extrusion pour tubes en matière plastique expansée présente invention concerne une tête d'extrusion pour la fabrication de tubes comprenant au moins une couche en matière plastique expansée. La présente invention concerne également un procédé de fabrication de tels tubes. tubes (et de manière générale, les objets cylindriques) ayant au moins une couche de matière plastique expansée présentent l'intérêt, par rapport à tubes matière plastique non expansée, d'être plus légers et donc, plus économiques. En outre, la couche de matière plastique expansée peut assurer fonction d'isolant thermique et/ou phonique, de revêtement protecteur etc... De nombreuses tentatives ont été réalisées dans le passé pour optimiser le taux d'expansion de la matière plastique ainsi que les propriétés mécaniques des tubes obtenus ce notamment en adaptant la tête d'extrusion de (co)extrusion. La plupart ces têtes d'extrusion sont munies d'un dispositif de chauffage unique, éventuellement commun à toutes les couches dans le cas des tête de coextrusion, ce qui rend leur optimisation malgré tout difficile. brevets US 4,484,883 et US 5,069,612 décrivent des têtes de coextrusion non spécifiques à des matières plastiques expansées, mais qui peuvent etre utilisées pour de telles matières, et qui présentent l'avantage d'une régulation de température indépendante pour chaque couche à extruder. Toutefois, au sein d'une même couche, la température est homogène puisqu'il n'y a dispositif de régulation thermique par couche. De telles têtes d'extrusion conviennent pour des matières plastiques non linéaires (LDPE) et/ou pas ou peu cristallines (PS, PVC, PCL), ou de manière plus générale : pour des matières plastiques ayant une gamme de température de mise en oeuvre en expansion suffisamment large. Par contre, dans le cas de matières plastiques linéaires et semi-cristallines telles que le HDPE ou le PP, les désenchevêtrements moléculaires qui se produisent à l'expansion sont susceptibles de mener à la déchirure du flux de matière si la température matière est trop élevée. En outre, de telles têtes d'extrusion sont difficiles à optimiser puisque pour éviter l'expansion de la matière plastique en leur sein, et une expansion anarchique à la sortie de la filière, elles ne peuvent pas être trop chauffées, alors que si elles ne le sont pas suffisamment, la viscosité de la matière plastique est trop importante et cette dernière risque de se figer au niveau de la filière. En conséquence, la présente invention a pour objet une tête d'extrusion pour la fabrication de tubes comprenant au moins une couche en matière plastique expansée facile à optimiser et à réguler et permettant d'obtenir des tubes ayant bonnes propriétés mécaniques et présentant une grande régularité de morphologie cellulaire en surface et au coeur, quel que soit le type de matière plastique envisagée. La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication tubes en matière plastique expansée utilisant une telle tete d'extrûsion ainsi qu'un procédé de fabrication de feuilles à partir de tels tubes, par découpe le long d'une de leurs génératrices. La présente invention concerne donc une tête d'extrusion pour fabrication de tubes comprenant au moins une couche en matière plastique expansée par extrusion d'un flux de matière plastique fondue comprenant un agent d'expansion à travers une section de passage annulaire pratiquee dans la tête d'extrusion et dans laquelle le flux de matière plastique fondue comprenant l'agent d'expansion se distribue circonférentiellement et se soude lui-même par recombinaison des deux fronts du flux, la dite tête d'extrusion étant munie d'un dispositif de régulation thermique spécifique permettant le réchauffement ou le refroidissement de la matière plastique fondue comprenant l'agent d'expansion après la recombinaison des fronts du flux. Par tube, on entend désigner tout objet cylindrique tel qu'un tuyau, une paraison d'un flacon, une enveloppe tubulaire qui par découpe, va donner une feuille (soit monocouche, soit multicouche), une gaine de câble... Par tête d'extrusion selon la présente invention, on entend désigner un ensemble de blocs métalliques et un noyau comprenant une voie de passage pour au moins un flux de matière plastique fondue sortant d'une extrudeuse. Un tel ensemble comprend généralement au moins un bloc pour la répartition de la matière sous forme d'un flux annulaire (ou distributeur), et dans le cas d'une tête de coextrusion, il comprend généralement au moins un distributeur couche de matière. La tête d'extrusion selon la présente invention est généralement suivie d'un bloc de sortie appelé filière. Le distributeur et la filière, le cas échéant, sont traversés de part en part par un orifice cylindrique qui détermine avec noyau, une section de passage annulaire pour la matière plastique fondue. Le flux de matière plastique fondue qui est alimenté à la tête d'extrusion selon la présente invention par une ouverture adéquate, est généralement un flux cylindrique plein de matière plastique sous pression. Dans le cas d'une tête de coextrusion, il y a généralement autant d'orifices d'alimentation que de flux de matière cylindrique. La matière plastique selon la présente invention est de préférence une matière plastique extrudable ou thermoplastique. Cette résine peut être de toute nature, cristalline ou amorphe. Il peut s'agir de matières plastiques dites de commodité, telles que les polyoléfines PP) ou le PVC. Il peut également s'agir de matières plastiques dites de spécialité, telles que les résines fluorées, et en particulier, le PVDF ; la polycaprolactone (PCL)... Il s'agit de préférence de matières plastiques semi-cristallines telles le PP, le HDPE (modifié (par exemple avec un silane) ou non), le PVDF ou la PCL. Ces résines peuvent inclure des charges (fibreuses, particulaires...) et des additifs usuels divers tels que des plastifiants, ignifugeants, stabilisants... L'agent d'expansion selon la présente invention peut être de tout type connu. Il peut s'agir d'un agent d'expansion dit physique , c'est-à-dire d'un gaz dissous dans la matière plastique sous pression et qui provoque son expansion lors de la détente à la sortie de l'extrudeuse. Des exemples de tels gaz sont le C02, l'azote, la vapeur d'eau, les HFC (tel que le SOLKANE XG87), les hydrocarbures (tels que le butane et pentane) ou un mélange de ceux-ci. Il peut également s'agir d'un agent d'expansion dit chimique , c'est-à-dire d'une substance (ou un mélange de substances) dissoute ou dispersée dans la matière plastique et qui, sous l'effet de la temperature, libère le ou les gaz qui serviront à l'expansion de la matière plastique. exemples de telles substances sont l'azodicarbonamide, un mélange de bicarbonate de sodium et d'acide citrique... La section de passage annulaire pratiquée dans la tête d'extrusion selon la présente invention est de préférence precédée par un dispositif d'égalisation qui se situe après l'ouverture d'alimentation de la tête d'extrusion. Ce dispositif peut être de tout type connu. II s'agit toutefois généralement d'une gorge torique qui agit comme réservoir pour fournir un de matière constant et régulier à la section de passage annulaire, et qui présente donc une section plus importante que celle-ci. Cette gorge torique présente généralement une section non constante, qui décroît de l'entrée de la matière vers le point de recombinaison des fronts du flux, de manière à équilibrer le profil des vitesses de la matière après recombinaison. Dans ce cas, la recombinaison des front du flux a lieu dans la gorge et donc, selon l'invention, le flux matière n'est refroidi qu'après le passage dans cette gorge. Le dispositif de régulation thermique de la tête d'extrusion selon la présente invention est de tout type connu. s'agit d'un dispositif permettant le refroidissement ou le chauffage de la matière plastique. Ce dispositif combine généralement un dispositif de chauffage externe tel qu'un collier chauffant (résistance électrique ou double enveloppe avec fluide thermique) enserrant la tête d'extrusion, et un dispositif de chauffage interne. Un tel dispositif utilise avantageusement un fluide thermique, qui peut être de l'huile par exemple. conséquence, la tête d'extrusion selon la présente invention comprend de préférence au moins un canal pour la circulation interne d'un tel fluide. Avantageusement, il comprendra deux canaux pour permettre le refroidissement des deux faces de la couche à expanser. Le dispositif de régulation thermique spécifique assure de préférence température proche de la température de fusion de la matière plastique à expanser (Tf) au sein de la matière plastique fondue comprenant l'agent d'expansion. Cette température est avantageusement d'au plus Tf+ 30 C, voire d'au plus 10 C . Cette température n'est généralement pas inférieure à Tf, et de préférence pas inférieure à Tf+ 5 C. L'expansion de la matière plastique est de préférence réalisée après la sortie de filière qui est disposée juste après la tête d'extrusion selon la présente invention. cet effet, la section de passage annulaire de la tête d'extrusion selon la présente invention est avantageusement rétrécie juste avant l'ouverture par laquelle la matière plastique fondue comprenant l'agent d'expansion quitte la tête d'extrusion. rétrécissement permet de créer une contre-pression suffisante et d'éviter la -expansion dans la filière même. Alternativement, ce rétrécissement de section peut avoir lieu dans la filière qui suit la tête d'extrusion. rétrécissement se fait de préférence par ajustement de l'épaisseur du noyau. La tête d'extrusion selon la présente invention est constituée d'un ou de plusieurs materiaux de résistance mécanique et thermique adaptée. Il s'agit généralement au moins en partie de métaux qui peuvent être purs ou sous forme d'alliages. On peut citer à titre d'exemple les aciers inoxydables traités thermiquement pour en augmenter la dureté. La tête d'extrusion selon la présente invention peut également inclure des éléments à résistance thermique faible tels que des alliages Cu-Be (pour améliorer l'échange thermique entre le fluide thermique et la matière plastique à expanser). La tête d'extrusion selon la présente invention peut également inclure des céramiques ou des poches d'air comme éléments isolants. Selon une variante préférée, la tête d'extrusion selon la présente invention est telle que toutes les surfaces qui entrent en contact avec la matière à expanser favorisent le glissement de cette matière et évitent les ruptures d'écoulement. Un revêtement glissant, par exemple en résine Téflon, sur ces surfaces convient bien à cet effet. La tête d'extrusion selon la présente invention peut servir à l'extrusion de tubes monocouches de matière plastique expansée. Avantageusement, cette tête d'extrusion servira à la coextrusion et permettra l'application d'au moins une autre couche de matière plastique expansée ou non expansée à l'intérieur et/ou à l'extérieur de la couche de matière plastique expansée. Ces couches peuvent avoir pour but d'augmenter la résistance mécanique et/ou chimique, l'aspect de surface, la rugosité, l'isolation thermique ou phonique... La matière plastique constitutive de ces couches peut être identique à celle de la matière plastique expansée, mais elle est généralement différente. Il peut également s'agir de matière plastique recyclée. Ces couches peuvent également contenir des matières de charge et/ou des additifs usuels divers tels que décrits précédemment pour la couche de matière plastique expansee. La tête d'extrusion selon la présente invention convient donc particulièrement bien pour fabriquer des tubes multicouches comprenant au moins couche en matière plastique expansée et au moins une couche en matière plastique non expansée. De préférence, la couche de matière plastique non expansée est également réchauffée ou refroidie par un dispositif de régulation thermique spécifique. Une tête de coextrusion constituée de blocs régulés indépendamment en température par des dispositifs spécifiques est particulièrement avantageuse. Ces blocs sont de préférence isolés entre eux par des moyens adéquats. peuvent à cet effet être séparés par des zones de vide. De préférence, ces blocs sont conçus de manière telle qu'ils permettent le refroidissement de la ou des couches adjacentes à la couche de matière plastique expansée (ceci afin d'éviter de perdre le bénéfice du refroidissement de cette dernière). Dans le cas où le tube comprend une couche externe en matière plastique non expansée, cette couche n'est avantageusement pas refroidie de manière excessive dans la tête d'extrusion. En effet, un refroidissement excessif pourrait avoir pour conséquence de trop figer cette couche et ce faisant, d'inhiber l'expansion de la couche interne. couche externe en matière plastique non expansée sera de préférence appliquée à la structure multicouche juste avant la sortie de la tête d'extrusion. Sa viscosité sera adaptée pour pouvoir permettre l'expansion optimale de la couche matière plastique expansée. La présente invention est illustrée de manière non limitative par la figure 1. Cette figure représente une coupe longitudinale (parallèle à l'axe) dans une tête d'extrusion de coextrusion prévue pour extruder un tube bicouche avec une couche interne en matière plastique non expansée et une couche externe en matière plastique expansée. Le flux de matière plastique cylindrique qui contient l'agent d'expansion (1) et qui sort de l'extrudeuse (non représentée) débouche dans une gorge torique (2) où il se répartit circonférentiellement de manière à recombiner ses deux fronts au point (2'). La section de la gorge est plus faible au point (2') qu'au point (2) de manière à équilibrer le front des vitesses de la matière qui sort de la gorge tout le long de la circonférence (suite à la perte charge observée tout le long du parcours de la matière dans la gorge). La tête d'extrusion comprend des cavités (3) destinées à contenir l'huile pour le refroidissement de la matière à expanser après recombinaison des fronts du , ainsi que pour le refroidissement de la couche de matière plastique non expansée (7) du côté où elle se soude à la couche à expanser. Cette manière de procéder permet d'éviter que la couche de matière plastique non expansée, trop chaude, ne vienne interférer sur le refroidissement de la couche à expanser. Des zones de vide (4) sont prévues pour isoler les blocs chauffés par des colliers chauffants (5) des blocs refroidis à l'huile. Le diamètre de l'orifice annulaire s'étend à partir de la gorge décroît au fur et à mesure que la matière plastique écoule de la gorge vers le noyau (6) et rejoint le flux de matière plastique expansée (7) qui forme la couche interne du tube. La section de l'orifice annulaire se rétrécit et est minimale au point (8) et jusqu'à la sortie de la filière 0), de manière à assurer une contre-pression empêchant l'expansion de la couche externe dans la filière. Le contrôle de la température interne de la tête de coextrusion à l'endroit du refroidissement est assurée par un thermocouple(9). Les tubes obtenus par le procédé selon la présente invention trouvent application dans des domaines divers tels que le transport des eaux usées. Dans cas, il s'agit par exemple de tubes ayant une couche intérieure en PE expansé et une couche extérieure en PE expansé qui assure la résistance du tube aux cailloux présent dans le sol où ces tubes sont enfouis. Il peut également s'agir de tubes en PE destinés à véhiculer de l'eau chaude pour chauffage notamment et qui sont isolés thermiquement par une couche externe en PE expansé. Ainsi qu'expliqué précédemment, par tube on entend tout objet cylindrique creux. Ainsi, il peut s'agir de la gaine d'un câble électrique, par exemple à base de PVDF expansé. Il peut également s'agir de feuilles obtenues par découpe de ces cylindres selon une de leurs génératrices et qui trouvent leur application dans la décoration, l'automobile, le bâtiment... Une application intéressante de la présente invention consiste en l'isolation phonique dans le domaine de l'automobile, mais on peut également citer d'autres applications telles que le flaconnage , le gainage de câbles et les tuyaux. REVENDICATIONS 1 - Tête d'extrusion pour la fabrication de tubes comprenant au moins une couche en matière plastique expansée par extrusion d'un flux de matière plastique fondue comprenant un agent d'expansion à travers une section de passage annulaire pratiquée dans la tête d'extrusion et dans laquelle le de matière plastique fondue comprenant l'agent d'expansion se distribue circonférentiellement et se soude sur lui-même par recombinaison des deux fronts flux, caractérisée en ce que la tête d'extrusion est munie dispositif de régulation thermique spécifique permettant le réchauffement ou le refroidissement de la matière plastique fondue comprenant l'agent d'expansion après recombinaison des fronts du flux. Tête d'extrusion selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins un canal pour la circulation interne d'un fluide thermique. Tête d'extrusion selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif de régulation spécifique assure une température comprise entre Tf+30 C et Tf au sein de la matière plastique fondue comprenant l'agent d'expansion, Tf étant la température de fusion de la matière plastique. 4 - Tête d'extrusion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la section de passage annulaire présente un rétrécissement juste avant la l'ouverture par laquelle la matière plastique fondue comprenant l'agent d'expansion quitte la tête d'extrusion. 5 - Tête d'extrusion selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle toutes les surfaces de la tête d'extrusion qui entrent en contact avec la matière à expanser comprennent un revêtement en résine Téflon. 6 - Tête d'extrusion selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une voie de passage pour au moins une couche de matière plastique non expansée à l'intérieur et/ou à l'extérieur de la couche de matière plastique expansée. 7 - Tête d'extrusion selon la revendication 6, dans laquelle la couche de matière plastique non expansée est également réchauffée ou refroidie par un dispositif de régulation thermique spécifique. 8 - Procédé de fabrication de tubes comprenant au moins une couche en matière plastique expansée utilisant une tête d'extrusion selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9 - Procédé selon la revendication 8, où la matière plastique est du PP, de l'HDPE, du PVC, de la PCL ou du PVDF.