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DEMANDE DE BREVET D'INVENTION Produits et objets légers et stables à structure formée de cellules polyédriques fermées à base de thermoplastes et leur méthode de fabrication.
Pour obtenir des matériaux légers à base de matières thermoplastiques, on a produit des corps à structure ael- .lulaire composés de cellules, soit ouvertes, soit fermées, de forme globulaire.
Pour obtenir dans un tel matériau le maximum de ré- sistance 'et de stabilité avec le minimum de densité, il faut obtenir des cellules polyédriques fermées à cloi- sons de très faible ,épaisseur, planes ou courbes. Dans une telle structure deux cellules voisines ont une paroi commune qui est d'une épaisseur essentiellement uniforme et extrêmement mince. Au contraire, dans une structure à cellules globulaires, la paroi séparant deux cellules est très mince aupoint où ces deux cellules sont les plus
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rapprochées, tandis que 1 épaisseur sroit à mesure; que 1 on s'éloigne de ce point.Cette structure entraine une fragilité au point d'épaisseur minimum des cloisons et une densité plus grande.
Au contraire, le même corps à cellules polyédriques fermées à cloisons d'épaisseur très faible et uniforme serait mécaniquement plus stable et moins fragile, tout en étant plus léger,
L'objet de l'invention est une méthode et un procé- dé général de fabrication qui permet de produire à par- tir de différentes matières thermoplastiques, des objets à structure formée de cellules polyédriques à parois planes ou courbes d'épaisseur uniformément réduite et très faible, de densité très réduite pouvant descendre jusqu'aux environs de 0,020 et qui jouissent en même temps d'une stabilité et d'une résistance satisfaisantes.
Le principe de la méthode de fabrication est le suivant : un mélange de la matière thermoplastique et d'un plastifiant est placé sous forme d'un modèle réduit du corps à produire, et de façon à réduire au minimum l'air inclus dans le mélange, dans une enceinte sous pression qui peut être par exemple un moule ou un auto- clave.
Le procédé de fabrication est amorcé par les deux processus suivants employés simultanément ou successive- ment,
1 ) Dans le mélange est distribué, d'une manière extrêmement fine et uniforme, un gaz inerte qui peut être ou développé dans l'enceinte par exemplepar chauf- fage d'une matière dégageant un gaz à la chaleur, on in- troduit de l'extérieur, sous pression, de façon à produi- re dans tous les cas dans l'enceinte une pression telle
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2 ) Le mélange est chauffé' à un? tempértue -..:cria- ble suivant la matière de base et telle que la gélifi- cation du ou des composants puisse être amorcée.
En outre,par augmentation rapide mais limitée du volume pour une -valeur de l'ordre de 10% du volume primi- tif du système (mélange + gaz inclus) on produit dans ce système un déplacement des particules et on permet au gaz de se dilater dans le mélange où-il forme à l'inté- rieur de ce mélange dans l'enceinte des cellules polyédri- ques fermées à parois planes ou courbes, d'épaisseur uni- forme et très faible dans lesquelles le gaz dilaté se trouve encore sous pression.
En même temps la gélification du mélange par chauf" fage est accélérée et on augmente ainsi sa. résistance et.sa stabilité.
Ensuite le corps est fixé par refroidissement, la pression dans l'enceinte est ramenée à la pression atmos- phérique, l'enceinte est ouverte et le corps cellulaire embryonnaire ainsi obtenu, de dimensions encore réduites, est porté, dans une autre enceinte de dimensions suffi- santes, à une température à laquelle le mélange se trou- ve à l'état plastique et ductile et est soumis à une - pression qui peut varier et se rapprocher préférablement de la pression atmosphérique, mais qui reste inférieure à celle employée dans la première partie,du procédé. Les cellules et en même temps le corps sont alors dilatés.
Quand les cellules et le corps ont atteint les caracté- ristiques désirées, on arrête le processus en ramenant le corps à la température et à la pression normales.
Ce processus de dilatation est de préférence poussé jusqu'à ce que le corps ne se dilate plus, ce qui se pro- duit lorsque lasurpression du gaz dans les cellules est
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équilibrée par la résistance des parois? Si pécessai- re on prolongera le temps de chauffage pour équilibrer toutes les tensions internes existant dans le corps en fin de dilatationo
On peut en modifiant les proportions respectives des matières du mélange, ainsi que la quantité de matiè- res désorbantes incluse dans ce mélange ou la durée d'in- jection de gaz dans l'enceinte, ou bien en faisant va- rier la température, la pression et la durée des proces- sus mentionnés ci-dessus, obtenir des corps cellulaires de densité et de dureté variables.
Comme matière de base on peut employer surtout les thermoplastiques polymères comme par exemple Polysty- rol, Chlorure de Polyvinyle; Acétal de polyvinyle, etc..
On peut employer ces matières telles quelles mais norma- lement on les mélange avec un ou plusieurs pla tifiants et aussi, sill est besoin, avec un ou plusieurs thermo- plastes et/ou avec un caoutchouc et/ou avec d'autres ingrédients tels que stabilisateurs, colorants, charges, etc... Si l'une des matières employées est à l'état so- lide, elle doit être utilisée en poudre, de façon à pou- voir donner un mélange très homogène.
Pour développer un gaz inerte dans le mélange on emploie avec avantage le diaminoazobenzène ou le dini-. tril de ].'acide azo-iso-butyrique ou d'autres corps qui se décomposent à une température de 70 à 170 C et qui sont mélangés d'une façon très homogène avec les autres matières.:
A ce mélange; on donne la forme réduite de l'objet qu'on veut obtenir,tout ,en veillant à ce que le mélange soit très compact, afin de réduire au minimum l'air in- clus dans le mélange.
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Dans le pas où on se sert d'un autoclave comme en- ceinte on peut donner au mélange la forme réduite de . l'objet de diverses manières., Citons-en deux exemples non limitatifs : a) on peut donner au mélange une forme réduite sous un état compact par exemple en le comprimant dans une ma- trice puis en l'extrayant de la matrice et en le déposant dans l'autoclave,, b) de toute façon on peut utiliser comme forme ré- duite une plaque fabriquée à partir du mélange par des moyens connus.. -
Le dessin annexé représente aux figs. 1 à 4 deux moules utilisés pour la mise en oeuvre du procédé.
De préférence on déposera la forme réduite dans un dispositif ou un moule élastique, qui permet au gaz sous pression de pénétrer et au mélange d'augmenter son volume, tout en empêchant le mélange de jaillir hors du moule au moment, de l'augmentation de volume. Un exemple de ce moule est représenté suivant les figures 1 à 3 dans lesquelles la pièce (a) est le moule et (b) le cou- vercle qui est fixé sur le moule à l'aide de deux ressorts (c) accrochés aux goujons (d).
Si une certaine quantité du mélange s'échappe du moule, c'est en tout cas sans influence sur la transfor- mation en corps cellulaire du mélange qui reste à l'in- térieur,
A défaut d'autoclave on peut se servir par exemple de presses de vulcanisation en construisant un moule, ser- vant d'enceinte et en développant le gaz dans l'intérieur du mélange.Un exemple de ce type de moule est représen- té suivant figure 4 dans laquelle (a) est le moule et (b) le couvercle.
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Les températures nécessaires pour réaliser les pro- cessus et les états ci-dessus mentionnés, gélification état plastique et ductile etc...) sont propres à chaque matière employée et distinctes pour chacune déciles.
Elles sont habituellement indiquées par leurs fournis- seurs. Les pressions et les temps nécessaires aux divers processus sont fonction de ces températures et des par- ticularités propres à chacune des matières employées.
Dans la pratique et en vue d'une exploitation in- dustrielle du procédé et suivant les applications dési- rées, on peut procéder d'une manière moins rigoureuse qui donne quelques cellules globulaires. On peut même, dans certains cas, obtenir aussi des cellules ouvertes, par exemple en surface pour permettre l'accrochage d'un enduit en plâtre sur la surface du corps cellulaire. ler exemple :
36 grammes de Polystyrol et 6 grammes de Diazo- amino-Benzène tous les deux finement pulvérisés sont mé- langés, d'une manière très homogène et placés de façon à réduire au minimum l'air inclus dans le mélange, dans un moule dont le volume intérieur est de 38,5 cm3 tel que représenté suivant la figure 4 où (a) est le moule lui-même et (b) le couvercle consistant en une plaque d'aluminium d'épaisseur d'environ 2 mm. Le moule est placé sur le plateau d'une presse avec son couvercle et on ferme la presse de façon à appliquer sur le moule une pression de 20 tonnes.
On commence à chauffer de façon à porter le moule et son contenu à une température de 175 C, dans un délai de 5 à 10 minutes.Cette température est maintenue pen- dant encore 5 à 10 minutes, ensuite on refroidit à 60-80 0 environ. Cette dernière température dépend du degré de
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polymérisation du type de Polystyrol employé.
On ouvre la presse et le moule et on retire le corps qui est ensuite chauffé à 120 -140 c, température dépendant du degré de polymérisation, sous la pression atmosphérique, de façon à dilater le corps jusqu'au voé lume désiré.
Le corps obtenu est un corps léger, à cellules polyé- driques fermées, à parois places ou courbes d'épaisseur uniformément réduite et très faible.
2ème exemple :
18 grs de Rhodopas XH (chlorure de Polyvinyle) et
8 grs de Dinitrile de l'acide Azo-iso-butyrique, tous los deux finement pulvérisés et 22 grs de Tricrésulphos- phate sont mélangés de façon à faire une pâte homogène ne contenant pratiquement pas d'air. On en remplit le moule de la figure 4, on dépose le.moule dans la presse et¯, après y avoir placé le couvercle on applique sur le moule une pression de 25 tonnes. On commence à chauffer .,de façon que le moule et son contenu soient portés à
180 C, dans un délai de 5 à 10 minutes. Cette températu- re doit être maintenue pendant un nouveau délai,de 5 à
10 minutes.
Ensuite on refroidit la température jusqu'aux environs de 20 C
On ouvre le presse et le moule et on retire le corps qui est ensuite chauffé à 110-120 pendant 15 à
20 minutes, à la pression atmosphérique, pour. dilater le corps jusqu'au volume désiré.
Le corps obtenu est un corps léger, à'cellules polyédriques fermées à parois planes ou courbes d'épais- seur uniformément réduite et très faible..
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3ème¯exemple< .2 èm¯m.:e.l.:
25 grs de chlorure de Polyvinyle et 6,5 grs de Dinitrile de l'acide Azo-Iso-Butyrique, tous les deux finement pulvérisés et 17 grs de Trychrésylphosphate sont mélangés de façon à former une pâte homogène ne contenant pratiquement pas d'air. On place cette pâte dans le mou- le représenté aux figures 1, 2 3, ce moule est placé dans un autoclave.
On remplace l'air de l'autoclave par¯ de l'azote àla pression de 300 kgs/cm2e On chauffe pour porter le mélange à une température de 100 -120 C, dans un délai de 20 minutes, tout en conservant la pression de 300 kgs/cm2. Ensuite on réduit rapidement la pression de 278 kgs/cm2. A cette pression on réchauffe le mélange de façon à la porter à une température de 175 ., dans un délai de 10 minutes, en vue d'accélérer le processus de gélification. La température du mélange est ramenée à une température d'environ 20 et la pression est ramenée à la pression atmosphérique. Le corps est retiré du mou- le, chauffé à 110 C pendant 15 à 20 minutes, à la pres-. sion atmosphérique, pour dilater le corps jusqu'aux di- mensions désirées.
Le corps obtenu est un corps léger,à cellules po- lyédriques fermées, à parois planes ou courbes d'épais- seur uniformément réduite et très faible,
4éme exemple : 41 grs d'Acétal de Polyvinyle et 8 grs de Diazo- Amino-benzène, tous les deux finement pulvérises sont mé- langés d'une manière très homogène. Ce mélange est placé dans un moule de volume intérieur 38,5 cm3 tel que re- présenté à la figure 4 de façon à réduire au minimum l'air inclus dans le mélangea Le moule est placé dans une presse hydraulique avec son couvercle et la presse fermée
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en appliquant sur le moule une pression de 34 tonnes.
On chauffe de façon à porter le moule et son contenu à une température de 175 C, dans un délai de 5 à 10 minu- tes. Cette température est ensuite maintenue pendant 15 minutes, on refroidit à la température de 20 C environ, on ouvre la presse et le moule et on retire le corps qui est chauffé à 110 C pendant 10 minutes.
Le corps obtenu est un corps léger, à cellules po- lyédriques fermées, à parois planes ou courbes d'épais- seur uniformément réduite et très faible.
On peut dans l'invention utiliser comme matière de base le caoutchouc naturel ou synthétique, ou des matiè- res similaires. Dans ce cas on distribue de la même fa- çon un gaz inerte dans le mélange au moyen d'un agent dégageant ce gaz au sein du mélange. Dans le cas de l'au- toclave, on pourra additionnellement introduire dans l'autoclave sous pression de l'extérieur un ou plusieurs gaz à distribuer dans le mélange.
Suivant l'invention, un mélange cru de caoutchouc, de composition principale semblable à celle habituelle- ment employée dans l'industrie du caoutchouc, est mélan- gé d'une façon très homogène avec une matière dégageant à une certaine température un gaz inerte soit par décom- position, soit par réaction avec certaines matières du mélange. Ce mélange, préparé de façon à n'inclure que la quantité d'air inévitable, est placé dans une enceinte sous pression, par exemple un autoclave ou un moule sou- mis à une pression.
Il est ensuite chauffé dans le but de le porter ra- pinement à une température de l'ordre de 1101. Pendant cette élévation de température la vulcanisation.du mélan- ge est amorcée, puis le gaz se dégage dans le mélange et/
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par suite de la vulcanisation déjà amorcée,ne peut s'en échapper.
Par suite du dégagement du gaz, dans le cas d'une petite enceinte comme un moule par exemple, ou bien à l'aide de gaz comprimé introduit de l'extérieur dans l'enceinte, dans le cas d'une grande enceinte comme un autoclave, la pression dans l'enceinte est élevée jus- qu'à une valeur de l'ordre de 400 kgs/cm2.
Le gaz dégagé (et, pour une part, le gaz introduit éventuellement de l'extérieur)se distribue dans le mé- lange d'une manière extrêmement fine et uniforme,
Par augmentation rapide mais limitée du volume du système-. (mélange + gaz inclus),par exempleau moyen d'une réduction de pression dans l'enceinte,on provoque un déplacement également rapide de ses particules. A la suite de ces phénomènes, le gaz forme dans l'intérieur du mélange des cellules polyédriques fermées, à parois planes ou courbes, d'épaisseur uniformément mince et très faible, dans lesquelles le gaz se trouve encore sous pression.
De préférence on poursuit le chauffage pendant quelques minutes afin de donner au matériau, en poursui- vant corrélativement la vulcanisation, l'extensibilité et la résistance nécessaires aux opérations exposées ci-après.
Le mélange est ensuite refroidi jusqu'à une tempé- rature suffisante pour éviter l'éclatement du mélange à la sortie du moule et la pression dans l'enceinte est ramenée à la pression atmosphérique. L'enceinte est ou- verte et le corps cellulaire embryonnaire ainsi obtenu en est retiré.
On le laisse alors se dilater sous l'in- fluence du gaz qu'il contient, sous la pression et à la
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température normales, jusqu'.$. ce que la surpression du gaz'dans les cellules soit équilibrée par la résistance .des parois
Pour achever la vulcanisation, on place le corps dilaté dans le moule définitif et on le chauffe à la température adéquate et sous une pression de 1 ordre de 10 kgs/cm3 Le corps se dilate davantage et vient s'ap- pliquer sur les parois du moule. La vulcanisation le fixe dans ses contours. On obtient ainsi le corps cellu- laire polyédrique définitif ayant 'la forme désirée, ainsi que la stabilité et la résistance suffisantes.
Pour l'opération de vulcanisation, on peut employer le corps dilaté tel quel, ou, au contraire, on peut le oouper et employer seulement des éléments de se corps On peut aussi lui donner une-forme plus compliquée au moyen de moules appropriés.
Sur la fige 4 le moule sert. à la production du corps cellulaire embryonnaire en forme de plaque ronde moulée dans la cuvette ± recouverte du couvercle b; sur les figs. 5 et 6 le moule sert à vulcaniser,un mor- ceau de ce corps cellulaire embryonnaire et à lui donner une forme et des dimensions,définies par ce moule, par exemple des alvéoles d.
On peut, en modifiant la qualité du ou des caout- choucs employés ou leurs proportions respectives, ainsi que celles des autres matières entrant dans le mélange, ou bien en faisant varier la température,la pression et la durée des processus ci-dessus mentionnés, obtenir des corps cellulaires de densité, de dureté et de quali- tés générales variables. On peut aussi dans le même but ajouter d'autres matières telles que colorants, matiè- res plastiques, charges, plastifiants, vulcanisateurs,
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accélérateurs etc..,
Comme matière susceptible de dégager le gaz inerte dans le mélange on emploiera avec avantage le dinitrile de l'acide azo sobutyrique ou d'autres matières qui se décomposent d'une 'manière rapide en donnant du gaz à une certaine température.
A cette température la vulca- nisation du mélange doit être préférablement amorcée, sans quoi une partie du gaz risquerait de s'échapper du mélange au moment où il se dégage.
.Pour qu'il en soit ainsi, on compose le mélange cru de caoutchouc,selon des recettes connues dans l'in- dustrie du caoutchouc, de telle façcon que la vulcanisa- tion du mélange commence à une' température moins élevée que celle à laquelle le gaz se dégage..
Un autoclave ou un moule sous pression sont les deux dispositifs normalement employés comme enceinte.Le moule peut être mis sous pression soit par une pression soit par un ressort etc...
Si on se sert d'un autoclave, on peut y placer le mélange sans moule, par exemple sous la forme d'une pla- que, tout en empêchant par un dispositif approprié que la matière se répande dans l'autoclave. Si on a besoin d'obtenir des contours plus précis, l'emploi dans l'auto- clave de moules ou de formes est à recommander.
A défaut d'autoclave on peut se servir par exemple de presses de vulcanisation en employant un moule servant d'enceinte, chauffé et comprimé au moyen de la presse. Un exemple de ce type de moule est représenté suivant fige 4 dans laquelle a est le moule et b le couvercle formé d'une plaune d'aluminium.
La température nécessaire à la vulcanisation dépend entièrement de la. composition du mélange cru et peut être
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fixée sans difficulté par un technicien du caoutchouc.
La température- à laquelle le gaz se dégage dépend du corps désorbent employée et est en général indiqué par les fournisseurs de ce corps lésorbant,
Dans la pratique et en vue d'une exploitation in- dustrielle du procédé et suivant les applications dési- rées, on peut procéder d'une manière moins rigoureuse qui donne quelques cellules globulaires. On peut même, dans certains cas, obtenir aussi des cellules ouvertes, par exemple en surface pour permettre l'accrochage d'un enduit en piètre sur le surface du corps cellulaire.
5éme exemples On prépare un mélange cru de caout- chouc comme suit : 100,0 parte caoutchouc préalablement mastiqué,
1,5 parts acide stéarique,
5.0 parts oxyde de zinc,
10,0 parts soufre,
0,4 parts oxyphenylguanidin
Ensuite on ajoute, comme matière dégageant le gaz, 12 parts de dinitrile de l'acide azaisobutyrique réduit en poudre fine et on prépare avec ces éléments un mélan- ge très hqmogène.
34 grs de ce mélange sont placés dans le moule re- présenté par la fig. 4, de façon à n'y inclure que la quantité d'air inévitable. Le moule avec son couvercle est placé sur le plateau d'une presse à température de 11000 et on ferme la presse de façon à appliquer sur le moule une pression de 20 tonnes.
On laisse le moule sous pression et on chauffe 15 minutes, ensuite on refroidit la presse de façon à rame- ner la température du mélange aux environs de 20 , puis
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on supprime la pression. On ouvre alors le moule et on en extrait le corps cellulaire embryonnaire. On le lais- se reposer, à température et pression normales, pendant 10 minutes environ. De ce corps on coupe un morceau de 10 x 10 cms et on le place dans le moule représenté suivant la fig. 5, dans laquelle a est le moule et b le couvercle. Ce moule est ensuite chauffé aux environs de 140 C sous une pression de 10 kgs/cm2 dans une pres- se à vulcanisation.
Ensuite la température et le pres- sion sont ramenées à 20 C et à la pression atmosphérique, la presse et le moule sont ouverts et on retire du moule le corps fini suivant la fig.7 à structure formée de cel- lules polyédriques fermées à parois planes ou courbes d'épaisseur uniformément réduite et très faible, de fai- ble densité.
REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication de produits à structure formée de cellules polyédriques fermées à base de ther- moplastes, caractérisé en ce qu'on mélange de façon très homogène une matière thermoplastique et un plastifiant, ou un mélange de caoutchouc ou similaire, on place dans une enceinte close sous pression ce mélange additionné de la quantité d'air inévitable et d'une matière déga- geant à une certaine température un gaz inerte, et on chauffe à la température où s'amorce la gélification du mélange ou la vulcanisation du caoutchouc.