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L'invention concerne une extrudeuse à vis pour la transformation de masses plastiques, notamment thermoplasti- ques. Il s'agit d'une extrudeuse ou boudineuse comportant, dans une enveloppe chauffable, une vis sans fin principale et au moins une vis sans fin auxiliaire. Une telle boudineuse sert à faire passer diverses masses thermoplastiques, à l'aide d'une seule unité mécanique, de l'état initial à l'état fini (granulat, tuyau, bande, profilé, etc.).
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Il est connu de tra:.ailler des matières the rmoplaat 1.' ques - par exemple le chlorure de polyvinyle (CPV),le polyéthylène ou des matières gommoïdes - ions des boudineuses à vis de diverses longueurs, qui comportent une ou plusieurs vis transporteuses dans une enveloppe ou carter cylindrique chauffable. Il est connu de chauffer ou de refroidir les vis au lieu de l'enveloppe, ou conjointement avec. celle-ci.Ces boudineuses refoulent la matière, devenue plastique à la suite de l'échauffement, depuis le point d'entrée jusqu'au point de sortie,tout en la comprimant, la matière étant soumise simul- tanément à un travail de préparation autense par malaxage, pétrissage, etc.
Cette matière se voit imprimer sa forme défi- nitive, à l'orifice de sortie, au moye: d'une filière de fa- çonnage.
Etant donné que le produit de départ est introduit dans la boudineuse, soit sous la forme de produits gélifiés, tels que plaques laminées ou les granulés,à lJétat préchauffé ou froid, soit simplement à l'état de poudres ou de pâtes non gélifiées, ayant subi un malaxage préparatoire, il est nécessaire que, pendant son passage à travers la machine, ce produit initial soit chauffé, plastifié, pétri, débarrassé de l'air ou d'autres occlusions gazeuses et, le cas écheant, gélifié.
A cet effet, on a déjà proposé de réaliser, dans des boudineuses à vis du genre ci-dessus - à savoir, soit moyennant une exécution particulière de la vis, qui consiste à obtenir un volume par spire variable (variation du pas, ainsi que du diamètre du noyau et/ou diamètre extérieur), soit en donnant une forme conique à la vis et à l'enveloppe - une diminution fortement croissante du volume débité et, par conséquent, une augmentation notable de la pression, d'ou compression de la masse. Le même résultat peut être obtenu par l'incorporation d'éléments accessoires sous la forme de disques perforés, de ternis adaptés intérieurement ou d'autres organes propres à ré-
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duire le volume à l'extrémité des arbres des vis sans fin, devant l'embouchure de la filière.
Cette élévation de la . pression est nécessaire, entre autres, afin que les bulles d'air ou d'autres gaz puissent s'évacuer vers l'arrière (vers les zones de moindre pression),ce qui permet de soumettre la matière à la compression requise.
De plus, on a déjà proposé des boudineuses à vis où des arbres pétrisseurs étaient adjoints en aval de la vis ou des vis, afin de permettre un malaxage plus intime de la matiè- re. D'autre part, on suggère de réaliser, après la compression de la matière, une zone de plus grand volume à l'aide de vis appropriées, zone dans laquelle la matière peut séjourner pen- dant un temps quelque peu prolongé, pour y subir un chauffage plus intense. On connaît en outre des boudineuses à vis mul- tiples où une partie seulement de la vis s'étend jusqu'à la filière de sortie, laissant ainsi à l'extrémité proche de la filière un. espace libre dans lequel la matière refoulée s'ac cumule en formant éventuellement des remous et en se mélangeant à la matière nouvellement amenée.
On compte réaliser ainsi un malaxage plus intense.
Finalement, on sait qu'à son entrée dans la machine. la matière plastique doit être absolument sèche et ne doit plus contenir aucune humidité, fautede quoi les objets finis moulés par injection comportent des soufflures et des retassures.
Aucune des constructions citées jusqu'ici et supposées connues ne permet pas - si l'on n'observe pas certaines précautions par- ticulières ou si l'on ne fait pas appel à des moyens complé- mentaires, généralement coûteux - de convertir une ma- tière n'ayantpas subit de séchage préalable et donc à l'état humide, ou une matière non gélifiée à l'état de poudre ou de pâte, avec ou sans ramollisseur; ou encore, une matière plasti- que uniquement malaxée,ou délayée,en un produit fini homo- gène, exempt de soufflures et présentant une surface lisse,
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sans grains.
D'autre part, ces constructions connues ne per- mettent pas de travailler, sans une granulation préalable-très minutieuse, des matières sirupeuses à poids moléculaire très élevé, telles que le polyéthylène à basse pression ou le chlo- rure de polyvinyle de suspension, pauvre en ramollisseur et présentent un haut degré de polymérisation.
Les extrudeuses ou boudineuses à vis unique vitrent le grand avantage d'une construction simple. La pression peut être augmentée de fagon pour ainsi dire illimitée par la di- minution du volume de passage ou par la prévision, en aval de la vis, de disques perforés, de tamis incorporés intérieurement ou d'éléments analogues déjà cités. On doit seulement veiller que le palier de butée coté commande puisse absoroer en toute sécurité les pressions axiales qui se manifestent. Lorsque la pression dépasse une certaine limite, il en résulte simplement un moindre débit de la vis, une partie de la matière refluant vers l'ouverture d'entrée.
Par contre, la machine à vis unique présente le grand inconvénient de nécessiter une matière pré- gélifiée, telle que le granulé, le "dry blend" ou une matière pâteuse à forte teneur en ramollisseur. Les soufflures provo- quées par des occlusions d'air ou dues à l'humidité de la ma- tière peuvent être difficilement éliminées. D'autre part, il est difficile, avec ces machines, de façonner des produits exempts de nodules et de grains, en partant de thermoplastes sirupeux et à poids moléculaire élevé, tels que, par exemple le CPV de suspension ou le polyéthylène à basse pression et à haut poids moléculaire. Cette dernière matière ne peut être traitée dans la machine à vis unique que sous la forme de gra- nules, étant donné que l'homogénéisation est insuffisante.
On peut réaliser une amélioration sous le rapport de la technique du traitement en prolongeant l'arbre et l'enveloppe de la vis, ce qui est onéreux. Toutefois,-comme toutes ces thermoplastes
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sont travaillées au voisinage de la température de décomposi- tion, la stabilité de la matière est compromise dans une telle c onstruction.
Les extrudeuses à: deux et à. plusieurs vis assurent un meilleur désaérage et un pétrissage plus intense de la matière.
Toutefois, on ne peut pas augmenter la pression à volonté, étant donné le peu de place disponible au voisinage du palier de butée. Ainsi, on ne peut pas interposer devant l'embouchure des tamis très fins, pour éliminer, des grains éventuels, étant donné que les pressions très élevées occasionnent à la longue des dégâts aux paliers. Nonobstant les intervalles dans les vis, et vu la grande viscosité des masses refoulées, on se trouve en présence d'une obturation presque analogue à celle d'une pompe rotative, de sorte que la quantité de matière pouvant refluer vers l'amont est beaucoup moindre que dans les extrudeuses à vis unique. Par conséquent, les paliers de butée ne peuvent pas être soulagée par- un reflux de matière.
D'autre part, et en plus des pressions qui se manifestent pa- rallèlement aux arbres, il se produit, par suite de la répar- tition de la matière, des pression agissant transversalement à ces arbres (poussées transversales) qui sollicitent les paliers beaucoup plus fortement que dans le cas des machines à vis unique. Pour cette raison,.on éprouve à ce jour des difficultés à travailler des matières non prégélifiées, conte- nant des grains de dureté inegale qui se gélifient avec une rapidité non uniforme, par exemple le CPV de suspension, étant donné que, dans le cas de deux ou de plusieurs vis de même forme, les paliers de butée requis ne peuvent pas être établis avec des dimensions suffisamment importantes.
Or, si l'on ap- plique des pressions moins élevées, les grains plus durs sont entraînés avec la masse principale ramollie de la matière déjà plastique à ce moment et empêchent de réaliser un produit final à surface lisse. De plus, les extrudeuses à vis multiples
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présentent l'inconvénient d'une avance saccadéeétant donné que les éléments qui permettent d'y remédier (disque perforé, tamis, etc. ) ne peuvent pas être utilisés dans la mesure voulue pour les raisons exposées plus haut.
La présente invention vise à réunir les avantages des deux constructions, tout enéliminant leurs inconvénients, grâce à l'adjonction, à une vis principale,. d'une ou de plu- sieurs vis d'appoint ou auxiliaires, moins longues, qui rem- plissent les fonctions d'une extrudeuse à vis multiples, à savoir, un meilleur pétrissage de la matière que la vis principale remplit le rôle d'une extrudeuse à vis unique dans la dernière phase du travail.
Partant de ce qui précède-et selon l'invention, on intercale, entre la vis principale et la filière de sortie, . une rallonge qui règle la pression en fonction de la tempéra- ture. Etant donné sa propriété qui consiste à régler la pres- sion en fonction des variations de température, la rallonge de la vis principale sera dénommée ici :
"arbre température- pression". delon l'invention, l'extrudeuse est de préférence établie de telle manière que le carter des vis se prolonge par une chemise destinée à l'arbre température-pression, la dis- position étant telle que dans la première moitié, en substance, de cette chemise, la température de la masse amenée peut être abaissée, tandis que dans sa seconde moitié, vers son extrémité,c'est-à-dire devant la filière de sortie,ou seule- ment dans cette dernière, la température de la. masse peut subir une élévation.;
Dans certains cas, il est avantageux de donner à l'ar- bre température-pression une forme propre à élever la pression dans la masse à mesure que celle-ci se rapproche de la filière de sortie.
Le progrès réalisé par la construction d'une extrudeuse
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selon l'invention se traduit par lespropriétés suivantes
1) Aucune formation de soufflures, même si l'on traite une matière qui n'a été ni séchée ni gélifiée au préalable,ni granulée, ou une matière pulvérulente ou pâ- teuse qui n'a subi une précompression d'aucune sorte.
2) Homogénelsation et pétrissage meilleurs de la ma- tière;. élimination de grains (dits "fish-eyes"),par exemple avec le CPV de suspension, ainsi que la suppression d'iné- galités noduleuses dans les thermoplastes sirupeux à poids moléculaire élevé, le polyéthylène à basse pression par exem- ple. Surface lisse et brillante dans les profilés, tubes, etc.
3) Façonnage de masses non prégélifiées; mais uni- quement prémélangées, grâce à un malaxage intime accompagné- d'une gélification uniforme et complète, de qui permet de réaliser des produits finis irréprochables, tels qu'ils ne pouvaient être réalisés à ce jour qu'en utilisant des masses' prégélifiées, cornue les granulés, les feuilles laminées, etc*
Un exemple d'exécution de l'invention est représenté schématiquement dans le dessin annexé. Ceni-c., ast une coupe longitudinale d'une extrudeuse à vis comportant une vis prin- cipale et une vis auxiliaire ou d'appoint, ainsi qu'un ar- bre température-pression prévu selon l'invention.
Dans ce dessin
1 désigne la vis principale; 2 une ou plusieurs vis auxiliaires; 3 l'arbre température-pression conformé en vis; 4 le carter des vis principale et auxiliaire(s);5 la chemise de l'arbre température-pression; 6 l'enveloppe de la trémie de remplissage 10 indiquée en pointillé; 7 la tête d'injec- tion pourvue de la filière d'extrusion 11; 8 le système de chauffage, de préférence subdivisé en secteurs; 9 le système de refroidissement de la chemise de l'arbre température- pression; 12 la chambre de transition entre la ou les vis
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d'appoint et la chambre 13 de 'l'arbre température-pression; 14 un accouplement à tenon, simplement symbolisé, appelé à. permettre le remplacement de l'arbre température-pression; 15 système de refroidissement de la trémie de chargement.
La masse chargée en 10 dans la trémie de remplissage est refoulée par les deux vis transporteuses 1 et 2 à travers le carter chauffé 4, vers la chambre de l'arbre température- pression 13, c'est-à-dire,vers le filet de cet arbre, lorsque ce dernier constitue une vis, comme c'est le cas dans l'exemple représenté. Dans ce filet, la masse, déjà travaillée, est refoulée à travers la chemise, jusque dans la tête d'injection 7, éventuellement avec' baisse de la température, éventuellement par le système de refroidissement.
Dans les carters 4, la température, divisée en plu- ' sieurs échelons, peut être réglée séparément, à l'aide de man- chettes de chauffage 8,(qui peuvent être mises en et hors contact par des thermostats ou régulateurs), de façon à se maintenir à une valeur déterminée. En outre, on prévoit un système de refroidissement 9 pour la chemise 5 de l'arbre tem- pérature-pression 3. L'arbre température-pression ne doit pas être nécessairement une vis. Il peut consister en une vis à volume variable par spire, c'est-à-dire, une vis dont les spi- res présentent une profondeur et/ou un pas variable, cette vis étant logée dans une chemise pourvue d'un système de chauffage et d'un système de refroidissement.
Cependant, cet arbre peut présenter toute autre forme voulue, par exemple, celle d'un mandrin cylindrique, en forme de torpille ou conique, avec ou sans nervures de pétrissage. D'autre part, on peut utiliser une vis à volume par spire variable et qui va en s'amincissant vers la sortie, de manière à re terminer par un angle obtus ou en tête de torpille, ce qui a pour effet de réduire davantage le volume transporté et d'augmenter la pression. On peut prévoir un chauffage ou un refroidissement pour la vis principale
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seule ou pour la ou les vis d'appoint, ou pour les deux, ce qui permet de régler l'homogénéité du chauffage de la masse dans l'ensemble de cell-ci.
Etant donné la diversité des masses plastiques à trai- ter, on a prévu la possibilité de remplacer l"arbre température- pression", de sorte que l'on peut monter d'une manière simple un arbre de la forme la plus appropriée, en tenant compte de la composition de la matière à traiter.
Toujours grâce à l'invention, on a la possibilité d'é- lever au besoin la pression dans ler extrudeuses à vis multi- ples au-del de la valeur réalisable précédemment, étant donné que, dans les masses à grande viscos@té, une fraction de l'élé- vation de la pression est reportée sur la vis principale, ce oui a pour effet de soulager les pa] '.ers de butée des vis d'appoint, paliers pour lesquels on dispose d'ailleurs désor- mais d'un emplacement suffisant dans le sens radial.
Cependant, le palier de butée de la vis principale peut être désormais ramené vers l'arrière d'une distance telle qu'il puisse présen- ter des dimensions pratiquement illimitées, dans le sens tant radial qu'axial, tout comme dans les extrudeuses à vis tznique.
De plus, la ou les vis d appoint peuvent être montées de façon à comporter un système de sécurité contre les pres- sions excessives, à être d'un accès aisé et remplaçables.
D'autre part, l'invention comporte encore un autre avantage qui réside dans l'élimination d'un inconvénient des constructions précédentes. Etant donné que les extrudeuses doivent pouvoir malaxer, pétrir, gélifier, homogénéiser, etc., le traitement des diverses matières plastiques exigeait des vis de longueur de plus en plus importante, c e qui entraînait les difficultés connues en ce qui concerne le montage, le fléchissement et les caractéristiques de la marche des arbres dans les carters, etc. Jusqu' présent, on essayait de remédier à ces inconvénients en diminuant la profondeur des spires,
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c'est-à-dire, en augmentant le rapport des diamètres respec- tifs du noyau et du filet.
Cette solution permettait de réali- ser, il est vrai, des vis plus robustes, c'est-à-dire, plus rigides ; par contre, elle avait pour effet de réduire consi- dérablement le débit des extrudeuses. Cet inconvénient est éliminé dans la présente invention par la prévision de de.ux ou de plusieurs vis d'appoint, de telle sorte que, d'une part, et grâce à l'adoption d'un rapport de diamètres favorable, la vis principale - qui, ici, est encore prolongée par l'"arbre température-pression" - se voit dotée d'une rigidité suffisante et que, d'autre part, l'extrusion à travers la fi- ' lière, c'est-à-dire, le débit, peut être augmenté grâce à la prévision de plusieurs vis d'appoint.
Le débit de la partie 'initiale de l'arbre température- pression est choisi de façon que cet arbre absorbe une quantité de matière égale ou inférieure à celle débitée par la vis.
Selon l'invention, la chambre à travers laquelle la matière est transitée sur son trajet entre les vis et l'arbre température-pression est conformée de façon. qu'il ne puisse pas s'y produire des accumulations ou des remous de matière, c'est-à-dire, de telle sorte que la matière à traiter s'écoule uniformément depuis les vis jusqu'au dernier sec- teur de traitement. L'arbre pression-température est établi de telle façon qu'une élevation rapide de la pression ait lieu déjà (grâce à la diminution de la section de passage) dans sa partie initiale. Ainsi, la matière est comprimée sur un court trajet, de telle sorte que, le cas échéant, toutes les ampoules résiduelles d'air ou de gaz - dans le cas d'une matière humide par exemple - sont chassées vers la zone de moindre pression, c'est-à-dire, vers l'arrière.
Il importe dans ce cas que, lorsqu'il s'agit d'une matière humide ou pulvérulente, la machine ne soit pas suralimentée du côté
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ché1I'mE'r"t, c'nst-à-dirni que 1'amenée de matière fraîche soit exactement contrôlée.
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Grâce au système de chauffage, la température peut être élevée au maximum requis jusqu'à l'endroit où commence l'arbre température-pression, cette élévation pouvant être. soit uniforme, soit plus rapide au début, pour se ralentir ensuite, soit encore, rapide au début, avec, ensuite, maintien de la température à une valeur uniforme. On abaisse la tempé- rature à partir de l'endroit ou commence l'arbre température- pression, cela (suivant la nature de la matière mise en oeuvre) soit en réduisant le chauffage, soit en refroidissant.
Grâce à cette disposition, la viscosité de la masse fondue augmente, la matière devient plus sirupeuse et offre une plus grande résistance, tandis que la pression augmente, tout comme lorsqu' on intercale des tamis, disques perforés, etc., avec cette différence essentielle toutefois, que la matière est maintenue constamment en un mouvement uniforme, au lieu d'être arrêtée ou ralentie, ce qui l'amène à brûler ou à se surchauffer, comme c' est le cas avec les ternis, disques perforés, etc., mention- nésplus haut, ou dans le cas de chambres d'ascumulation in- tentionnelles ou fortuites, déterminées par exemple par des points morts défavorables du point de vue de la dynamique des de s fluides.
Le chauffage peut être appliqué soit au carter, soit à la ou aux vis, ou être une combinaison dedeux. De même, le refroidissement peut être appliqué à l'arbre température- pression, à la chemise, ou aux deux.
Comme on le sait, il est très difficile de conduire un processus de polymérisation de telle façon que toutes les molécules de polarisation obtenues présentent la même longueur de chaîne et donc le même point de fusion, la même aptitude au foisonnement dans le ramollisseur, la même viscosité,etc...
D'autre part, la préparât:) on du polymère donne lieu, lors du séchage par exemple, è l'apparition de grains plus durs et moins poreux qui se ramollissent plus lentement et qui soutient
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moins ra.5derr.ent : ous l'action du ramolliiseeur. Cas particu-
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les peuvent être homogénéisées, dans le cas du CPV de suspen- sion, sur le laminoir mélangeur par exemple grâce au rapproche- ment des cylindres et à la friction. L'élimination ou l'homo- généisation de ces grains était pratiquement impossible avec les extrudeuses connues à ce jour.
Ceci s'applique également aux matières visqueuses . à degré de polymérisation élevé (par exemple le polyéthylène à basse pression et à degré de polymérisation élevé), qui peuvent être travaillées directement dans l'extrudeuse à vis, sans être préalablement granulées.
Les grains plus durs, dits "yeux de poisson", ou les nodules plus dures, sont amenés par
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le rw:.oiii;:eur à foisonner à la surface ou sont liquéfiés pur 1 cnaleur dans le cas des produits exempts de l'amollisseur ci, l ce r,xî.ar:.t, la majeure partie du reste de la masse est - iéjà 11.':!.usL'i&6 ou présente une viscosité moindre, sùa. xer3it .:j J .:or, effet de pétrissage, dans une extrudeuse à deux ou à plusieurs vis -par exemple, ces grains sont entraînés avec la- #ifatire, vu qu'ils sont lubrifies par la surface qui e. subi une :':11: 0j,,-: eu un foisonnement initiaux, 311 prolongeant la phase de ^rl'.xLU.''F'2,r?, c'est-à-dire, en ±\U;a:ej.1t6nt la longueur de la n..:...c..:.i:.:::" on peut, il est vrai, obtenir una a::cliotâtion;p.r centre, C61:.ta mesure compromet la stabilité de la matière.
Or, et comme indiqué plus haut., la prévision, selon l'inven- tion, d'un arLre température-pression en aval de la vis permet un abaissement de la température dans les limites de cet arbre.
Ceci a pour effet d'élever la viscosité, soit, en premier lieu, celle de la matière fondue, moins visqueuse,
Etant donne que les matières qui entrant en ligne de compte sont toujours de mauvais conducteurs de chaleur, 1'élévation de la viscosité par refroidissement da la surfa- ce se propage lentement, par suite du refroidissement de la surface, de l'extérieur vers l'intérieur (cette progression se faisant des deux côtés simultanement en direction du noyau.
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ae la masse, lorsqu'on refroidit à la fois le carter et l'arbre);
! de sorte que la viscosité de la masse fondue et jusqu'alors liquide, devient égale à celle des nodules ou grains moins fluides. D'autre part, il y a une élévation de la pression, dé sorte que le frottement dû. aux particules indi- viduelles non homogènes de la masse augmente et '.que, de cette faon, tous les grains et nodules éventuels sont éliminés avec certitude. Ce processus dure un certain temps et, p@r consé- quent., nécessite un trajet d'une longueur déterminée dans la machine. Pour les raisons indiquées plus haut, cette durée ne peut pas être abrégée par une élévation de la température (ou bien, dans le cas présent, par un abaissement moins marqué de la température).
Il suffit désormais d'élever à nouveau la température a l'extrémité de sortie de l'arbre température-pression ou peu avant la tête d'injection et d'ajuster la section de pas- gage dans cette tête de façon à engendrer exactement la pression requise pour réaliser un produit de, forme définitive, ce qui permettra d'obtenir un coudin façonné de manière abso- lument homogène, à sur-face lisse, brillante et exempte de crains.
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H j, V 3 i D lC.t1.T 1 0 I\' ti.
1.- Extrudeuse a vis pour façonner des masses plasti- ques, notamment thermoplasti. @es, où une vis principale coopère dans un carter chauffable, avec au moins une vis d'appoint, caractérisée par l'intercalation; entre la vis principale et la filière d'extrusion, d'un organe intercalaire d'aval , un
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..1'(,1'6' pé:r' exemple, qui régla la prevsion en fonction de la température.