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Procédé d'extrusion du polytetrafluoréthylne
La présente Invention se rapporte à la fabrication d'objets en polytétrafluoréthylène par extrusion, plus spéciale- ment par l'extrusion dite à l'état pâteux et µ: des compositions de pâte perfectionnées à cette fin.
Le polytétrafluoréthylène, mieux connu soue son appel- lations commerciale "Teflon" peut, être transforma en objets façonnas de diverses manières, et notamment par extrusion de Teflon sec, finement divise., accompagnée ou suivie d'un chauffage à une température à laquelle il se fritte t se transforma en une masse hoimogème Ce procède ne s'applique qu'à des objets à parois Epaisses. Pour fabriquer des objets à parois minces, par exemple des tubes à parois minces, on a mis au point, plus ,-
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récemment, un procédé appelé "extrusion à l'état pâteux". La présente invention se rapporte à ce dernier procède.
Le Teflon ne peut être travaillé par les procédés de façonnage utilisés pour la plupart des autres matières plasti- ques, parce qu'il ne fond pas, ne s'écoule pas, et ne peut être dissous. Dans le procédé d'extrusion à l'état pâteux, on mélange du Teflon réduit en particules colloïdales (0,05 à 5 microns) à un lubrifiant organique volatil, on l'ébauche de préférence, puis on l'extrude, on le chauffe pour volatiliser le lubrifiant et on le fritte par chauffage à la température voulue (plus de 327 C) pour obtenir le produit achevé.
Plus spécifiquement, une composition de Teflon pour l'extrusion d'un tube à parois minces se prépare de la manière suivante : on prépare,un lubrifiant volatil épaissi en dissolvant une partie en poids de "Vistanex" (qualité LN-MS, Enjay Company, New Jersey U.S.A.), un polyisobutylène, dans 16 parties en poids de naphte qualité VNP.
On ajoute à 830 g de Teflon
1 (du Pont de Nemours "TE-3086". en poudre fine) 170 g de ce lubri- fiant et on mélange soigneusement par barattage pendant quelques minutes dans un récipient clos et partiellement rempli. -On transforme ensuite la .poudre humectée en ébauche dans une presse à la température ordinaire, sous une pression de 10 à 50 livres/ pouce carré (0,7 à 3,5 kg/cm2 et on introduit les ébauches dans un appareil d'extrusion à piston dont l'orifice contient un mandrin de façon à former un tube. Le tube formé est humide, tendre, très fragile du toucher, d'un aspect fibreux et est acheva en deux opérations.
On le chaufe d'abord à 300 FR (148 C) environ jusqu'à ce que les matières volatiles soient chassées, puis on continue à le chauffer au-dessus de la température de transi- tion, qui est environ 621 F (327 C) jusqu'à ce que le produit soit fritte et transformé en un corps tenace et homogène.
Un certain nombre de difficultés se présentent dans la @abrication de tubes et objets analogues par ce procédé. La
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longueur des tubes ou d'autres objets qu'on a pu obtenir sans défauts tels que fentes, fissures, et ondulations de la surface a été limitée à celle qui résulte de l'introduction d'une seule ébauche dans l'appareil d'extrusion. En effet, une seconde ébau- che, introduite derrière les restes rendus compacts de l'ébauche précédente ne s'y soude pas et lorsque la matière à la jonction des deux ébauches arrive à l'orifice de l'appareil d'extrusion, les'défauts précités se manifestent immédiatement ou au cours du frittage.
On ne sait pourquoi les ébauches successives ne se soudent pas, mais il est possible que ce phénomène soit dû en partie au fait que le lubrifiant est chassé hors de l'ébauche.
Par conséquent les sections défectueuses du produit final doivent être coupées et on n'obtiont que de petites longueurs de tubes sans défaut. Un autre type de défaut consiste en soufflures, en cratères ou en dépressions à la surface intérieure ou à la surface extérieure ou dans la paroi du tube, et ce défaut semble être dû à une concentration excessive du lubrifiant dans des régions bien localisées. Le lubrifiant et le Teflon sont immiscibles puisque le Teflon est insoluble et il semble bien que le lubrifiant s'accumule par endroit sous la pression d'extrusion. Lorsque le lubrifiant qui occupait cet espace est évaporé, il en résulte un vide ou une dépression qui rend non uniforme l'épaisseur de la paroi et crée des points de moindre résistance.
Ce défaut est très gênant puisque les tubes sont utilisés pour des carburants, des huiles et des produits chimiques corrosifs sous pression et sou- vent à des températures élevées.
La présente invention est basée sur la découverte inat- tendue d'un moyen de résoudre.les difficultés du procédé d'extru- sionà l'état pâteux, permettant d'obtenir un produit extrudé continu à partir d'une série d'ébauches, sans défauts dans les régions de jonction et sans les soufflures ou les cratères dûs à la concentration locale du lubrifiant. On atteint ce résultat en ajoutant à la composition lubrifiée de Teflon décrite plus haut,
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une certaine proportion d'une matière inerte très finement diviser, susceptible d'absorber le lubrifiante et en modifiant la propor- tion de lubrifiant pour maintenir la vitesse d'extrusion désirée.
En particulier on a trouvé qu'une quantité relativement réduite de noir de fumée possède la propriété de résoudre les difficultés précitées lorsqu'on l'utilise de la manière décrite ci-apres.
Au lieu de noir de fumée, d'autres matières comme la farine de silice, la terre d'infusoires etc., peuvent être utilises comme auxiliaires d'extrusion. Bien que la Demanderesse ne désire pas se limiter à une théorie particulière du mécanisme en jeu, il semble que l'auxiliaire détermine une meilleure répartition du lubrifiant dans la composition, maintient cette répartition dans les conditions de l'extrusion et empêche la concentration du lubrifiant sur les surfaces de l'ébauche dans l'appareil d'ex- trusion ou en gouttellettes au sein de la masse extrudée.
L'exemple ci-dessous qui a donné d'excellents résultats fera bien comprendre la mise en oeuvre de l'invention. On prépare une composition à extruder à partir des ingrédients suivants :
Teflon TE 3086 810 g
Noir de fumée 0,81 g
Solution Naphte-Vistanex. 190 g
Le Teflon est d'abord tamisé pour réduire les agglomérés,. pesé et placé dans un bocal de verre d'une contenance de 5 gallons.
On ajoute ensuite la-quantité indiquée de noir de fumée ("Supercarbovar" *un noir floconneux) au Teflon et on fait tourner le bocal sur des rouleaux jusqu'à ce que les deux composés soient parfaitement mélanges..On verse ensuite une solution de Vistanex dans le naphte (16:1), cdmme indiqué ci-dessus, dans une poche mélangée dans la poudre et on continue le barattage pendant 1 à 3 minutes. On fait ensuite passer le mélange humide par un tamis de 1/8e de pouce (3 mm) pour diviser lea agglomérés, en prenant les précautions voulues pour éviter les pertes de sol- vant par évaporation et on remet la composition dans le bocal
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pour la baratter pendant 15 minutes environ.
De préférence, on laisse ensuite reposer le mélange pendant au moins 16 heures à la température ordinaire avant de l'employer . Des ébauches sont ensuite préparées en pressant le mélange dans un cylindre ou une autre cavité dont la forme correspond à celle de la chambre de l'appareil d'extrusion sous une pression de 10 à 50 livres/ pouce carré (0,7 à 3,5 kg/cm2). Ces ébauches, successivement extrudées pour les transformer 'en un tube à parois minces dans un appareil d'extrusio du type à piston se soudent l'une à l'autre sans aucun défaut et le tube peut être extrudé à la longueur désirée.
Dans l'exemple ci-dessus on peut remplacer le noir de fumée par une quantité égale de silice' hydrophobe (du Pont de
Nemours) ayant une granulpmétrie dans la gamme de 8 à 10 millimi- crons et on obtient pratiquement le même effet avantageux.
Dans cet exemple, le noir de fumée ne représente que 0,1 % en poids du Teflon ce qui est plus qu'assez pour donner un ton gris au mélange et aux produit fraîchement extrudé, mais après frittage le tube est noir. Ceci est apparemment dû à la transparence plus grande du Teflon fritte. Des expériences avec diverses quantités de noir de, fumée ont montré que avec moins de 0,1% on obtient déjà un résultat, une amélioration étant déjà perceptible à partir 'de 0,01% mais 0,1 % semble être une quan- . , tité minimum pour obtenir des'résultats satisfaisants à l'échelle. industrielle.
La quantité optimum se situe entre il et 1 % et dépend de certaines variables telles que le type de noir de fumée utilisé, et la limite inférieure p'est en fait pas définie et des quantités plus importantes, jusqu'à 5 % environ, peuvent être utilisées.Ce chiffre représente une limite supérieure pratique au-delà de laquelle de nouvelles augmentations de la quantité de noir de fumée ne semblent pas produire d'effets défavorables.
Mais on a constata que chaque fois qu'on ajoute 0,1% de noir de fumée, la quantité de lubrifiant doit être augementée de 0,5 %
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environ pour que la composition reste extrudable. Sans cela, la vitesse d'extrusion diminue fortement et des pressions se créent dans l'appareil. On peut y remédier en ajoutant du lubrifiant, mais seulement jusqu'à un point qui correspond a une teneur en noir de fumée d'environ 5 %. (25 % de lubrifiant) au-delà duquel les ébauches n'ont plus de cohésion et le produit extrudé est impossible à manipuler. Une bonne extrusion dépend donc d'un équilibre bien choisi entre les ingrédients suivant les principes énoncés ci-dessus.
Le type de noir de fumée à utiliser est de préférence un noir très finement divisé dont la granulométrie est par exemple de 140 à 220 Angstroms. Différentes marques de noir de fumée absorbent le lubrifiant dans une mesure différente et cer- tains essais peuvent être nécessaires pour déterminer la
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teneur optimum en lubrifiant de la composition. Une granulont('-.trîe inférieure à 100 millimicrons est préférée et les meilleurs résultats ont été obtenus lorsque la. granulométrie est inférieure à 30 millimicrons environ.
Dans ce qui précède, la composition de Teflon ne com- prend d'autres auxiliaires permanents que le noir de fumée, ou un autre auxiliaire absorbant- finement divisé, le lubrifiant étant évaporé. Pour certaines applications toutefois, il est désirable d'incorporer des charges inertes aux objets en Teflon extrudé.
On a découvert que des compositions de poudre de Tpflon et de charges dont l'extrusion est impossible peuvent être exiru- dées si l'on y ajoute du noir de fumée dans la garnie de porpar-
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tions définie plus haut, Par 'exemple, on a tenté d'ertl'11d;r nn l"1 ?1?Ze lubrifié de poudre dè Teflon (TE 3086) et d'oxyde ci'.,'Eu-- win3.ru (n..Aloxit:n 'm pondre) dans loatt1'Ala;c¯tP représente 3?% d(r. 1:','1 ttp.res sèches' Les ébauches s' (1I\lpt tent rt le produ i t extru- dé t01'1hr. en morceaux et se séiyrmr du iuiririant.
Mais la t'()j ,po- sitirm .suivant sgexnude de façon sru.i:f'=L:.unr: :
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Teflon TE 3086 25 g Aloxite 13,5 g
Noir de fumée (Supercarbovar) 1,25 g
Solution Naphte-Vistanex 13,9 cm3
La composition qui n'avait pu être extrudée était la même, mais sans le noir de fumée qui représente ici 3,25% du poids total du Teflon et de l'Aloxite. Cette addition donne des ébauches d-lune bonne cohésion produit extrudé ébauches d'une bonne cohésion, et le produit extrudé se laisse facilement manipuler et est de bonne qualité.
On voit donc', qu'un autre avantage de l'addition du noir de fumée et d'autres matières inertes finement divisées du type précité à des com- positions devant être extrudées par le procédé à l'état pâteux avec lubrifiant, est qu'il permet d'extruder de mélanges de Teflon et de charges inertes, particulièrement des compositions contenant des quantités importantes de charges et qu'il est impossible d'extruder sans cela;,
De nombreux détails de la description sont donnés à titre d'illustratif et peuvent être modifiés.
Par exemple, les lubrifiants cités sont les plus désirables dans l'état actuel des connaissances, mais d'autres liquides volatils et d'autres solutions liquides,ayant de préférence une viscosité de 3 à 5 centipoises à 25 C sont connus cornue bons lubrifiants pour l'extrusion du Teflon. Un de ces lubrifiantsest le cétane, avantageux lorsqu'on désire utiliser un liquide moins volatil.
L'invention n'est donc pas limitée à ,ces détails. La fabrication d'ébauches, bien que pratique, n'est pas indispensable car dans certains cas la composition peut être directement introduite dans l'appareil d'extrusion.
REVENDICATIONS.
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