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Procédé et appareil pour couler des matières thermoplastiques.
La présente invention concerne un procédé et un appareil nouveaux pour fabriquer des feuilles, des pellicules, etc., en coulant par extrusion à vitesse relativement élevée des matières synthétiques polymères. L'invention concerne en particulier la fabri- cation de pellicules minces très limpides et ayant d'autres propriétes physiques désirées en coulant par extrusion à grande vitesse des polymères normalement solides de matières à non-saturation éthylénique, telles que des polymères thermoplastiques d'hydrocarbures aliphatiques monodéfiniques de bas poids moléculaire., conprenant du polyéthylène, du polypropylène, du polybutylène, des copolymères d'ethylène, du propylène et d'autres monomères oléfiniques,
ainsi que d'autres matières thermoplastiques telles que du chlorure de polyvinyle, des copolymères styrène-isobutylène, etc.
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Pour autant qu'on le sache, les procédés d'extrusion uti-
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11515 jusqu'à présent pour fabriquer des feuilles minces, des pel2X cules, etc, d>0paisseur allant jusqu'à 4 millièmes de pouce (OL1) à partir de -:1atH'res polymères des types nrécités en coulant une nasse fondue du polymère sur un rouleau refroidi étaient limités à des vitesses d'extrusion relative.,lent peu élevées, par exemple,
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des vitesses ne dépassant généralement pas 150 pieds/minute (45 m/;,iin.).
Des tentatives visant à exécuter ces procédés à des vitesses d'extrusion sensible-ient plus élevées ent généralement abou- ti à la fabrication d'une pellicule de mauvaise qualité, principalement par suite de la présence de bulles, de poques, etc., dues à une occlusion d'air entre la nappe de matière plastir.ue et le rouleau refroidi sur lequel la pellicule est coulée. Ces procédés sont
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=::¯ns2. liriités à des vitesses d'extrusion en substance peu élevées j auxquelles une occlusion d'air irregulière entre la nappe de matiè- re plastique fondue et le cylindre ne se produit pas dans une mesure nuisible.
La présente invention a notamment pour buts de procurer: un procédé et un appareil pour couler par' extrusion des
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matières polymères du genre spécifiée à des vitesses d'extrusiaw sensiblenent supérieures aux vitesses que l'on pouvait atteindre jusqu'à présent par coulée sur des rouleaux refroidis; un procédé et un appareil permettant d'éviter ou de ré- duire en substance au minimum l'occlusion de l'air entre un rouleau refroidi et la nappe de matière plastique de façon à obtenir une pellicule de bonne qualité possédant d'excellentes propriétés physi- ques, à des vitesses d'extrusion qu'on ne pouvait atteindre jusqu'à présent.
D'autres buts et avantages de la présente invention res- sortiront de la description détaillée donnée ci-après. suivant le procédé de la présente invention, on étire une '
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pellicule fondue du :-'olY'11re eytru(1 travers une passe délimitée p0r un rouleau entraîné refroidi à 3ürfEce lisse et un rouleau de
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pression élastique qui exerce sur L -7t pellicule ui-e pression suffisante our empêcher une occlusion due 1-Irir entre le rouleau refroÍai à surface lisse et la pellicule, our un tel procède 1.. 2urface du rouleau refroidie qui est maintenue à une température inférieure à la température de solidification du pol7+iére extrudfb, peut être en toute .matière rigide et très lisJe, c*es matières psrticu- 11 3re-:l::n t p.9ropri;eG ét2r. t;
des surfaces :4t11i-:-:u8s ;arf3.i tf:;YJ'2:- polies, telles que l'acier, i'alumir.iu¯Z, le 7.=tai r¯ï-erê, etc., une surface chrome parfaitement :,olie constitu'mt une tome d'exÀcution particulière:ent rt-.proiricr2. UE:'1t 2.U rouleau de pression 61stiue, il peut 4gale,ient être er.tr2.ins et, s'il eri est =>1,risi, ¯. la néme vitesse ou a une vitesse inférieure à celle du rouleau refroidi mais le rouleau de pression n'est de préférence pas en- traîné et tourne (en sens inverse du rouleau refroidi) sous l'effet du frottement de la pellicule avec laquelle il est en contact, parce au'on obtient ainsi une légère résistance qui contribue également à empêcher une occlusion d'air entre le rouleau refroidi et
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la nappe de matière p.:.st3.c.;e.
Dans la plupart des cas, le poids du rouleau de pression suffit généralement à exercer une pression suffisante sur la pellicule pour empêcher une occlusion d'air nais, s'il le faut, on peut appliquer une pression supplémentaire, par exemple en munissant le rouleau de pression d'un contre- poids ou à l'aide d'un piston pneumatique ou hydraulique qui naintient le rouleau de pression en contact sous pression.
Une particularité importante de la présente invention, qui permet une extrusion à des vitesses exceptionnellement élevées, est l'utilisation.d'un rouleau de pression comportant une surface élastique. A cet effet, un rouleau en Téflon est particulièrement approprie nais des rouleaux de pression en d'autres matières comprenant le caoutchouc siliconé, le caoutchouc naturel, des rouleaux
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gonflés en caoutchouc, du néopnej etc, peuvent être utilises.
En ce qui concerne l'appareil de la présente invention., il Frsr3 deux rouleaux pinceurs t0','' ^y'...^-." irf"Jerses.1 dont
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l'un est un rouleau entraîné refroidi comportant une surface lisse et l'autre un rouleau comportant une surface élastique susceptible d'exercer une pression à la passe, et un dispositif pour extruder une pellicule fondue dans la passe de ces rouleaux.
De façon plus spécifique, cet appareil comprend deux rouleaux pinceurs tournant en sens inverses, un des rouleaux étant un rouleau entraîné refroi- di intérieurement et comportant une surface métallique parfaitement polie et l'autre rouleau comportant une surface élastique, ce der- nier rouleau étant capable d'exercer une pression à la passe qu'il forme avec le rouleau à surface métallique, et un dispositif ex- trudeur pour extruder une pellicule fondue de matière polymère thermoplastique dans la passe des rouleaux.
On se référera ci-après aux dessins annexés, dans les- quels: la Fig. I contre un appareil suivant la présente inven- tion danslequel lapellicule eztrudée descend dans la passe entre les deux rouleaux; la Fig. II montre un appareil semblable à celui de la Fig. I mais dans lequel la pellicule extrudée vient en contact avec le rouleau refroidi avant de passer entre celui-ci et le rouleau de pression; et, la Fig. III montre un appareil semblable à celui repré- sent!' sur la Fig.
I mais dans lequel la pellicule extrudée est introduite horizontalement dans la passe formée par un rouleau refroidi et un rouleau de pression et, de plus, elle représente une forme d'exécution utilisant des rouleaux refroidis supplémentaires utiles pour extruder la pellicule à des vitesses encore plus élevées nécessitant des surfaces de refroidissement supplémentaires.
On voit sur ces figures, où les mêmes chiffres de réfé rence désignent les mêmes éléments, une filière d'extrusion 10 à partir de laquelle une pellicule extrudée fondue 11 est introduite dans la. passe formée entre (1) un rouleau métallique 12 parfaitement poli, entraîné et rafroidi intérieurement par de l'eau de refroidis-
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savent ertrrsnt en. 13 dans le rouleau et en sortant à l' extraite opposée (non représenté) et (2) un rouleau de pression 14 en une 1E.tir élastique qui est placé de façon à exercer une pression ZUT la pellicule traversant la. passe.
Comme le montrent les dessins, la pellicule qui traverse la passe est maintenue en contact avec le T9u16au 12 pur une distance pr<Éd4terminXe t g0npraleent jusqU'à, Cq ç,uJ11e soit refroidie et stabilisée et qu'elle puisse être Nifipfjlc <gt dirigée sur un rouleau fou suivant 15 (comme sur les F'lii<z, i #t 11 QU, si on le désire, ou si cela est nécessaires sur des Tfài#fi,UZ d13 refroidissement supplémentaires 12' et 12" CQ.1;ie sur 1" ?, i%ii'. Il±, avant de passer sur le rouleau fou 15. La Fig.
I rep.vljm1t(j uns fo'!'!:c.; (Jloxécution dans laquelle la pellicule est extru- ([!'JIJ V;I!t1.cn.).r:.r::nt dans le p;;':.S3e de sorte qu'il y a contact pra.ti..st.r:; 0Í.;iull;::m6 de le. pellicule avec les è.'.3UX rouleaux tandis, 'J!Jg, rng, la Fig, rr, la pellicule vient d'abord en contact avec le rl.J.t roel'roi±1 12 trivent d'arriver à la passe et reste sur le rou-
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leau 12 dans le sens de rotation de ce dernier sur une courte dis-
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tance fi.a/5.nt d'ôtr0 am(1ne en contact avec le rouleau de pression 14 pCJúdrJnt rt77, -9t encore en contact avec le rouleau 12.
Vi!t4rent dispositifs peuvent être utilisés pour appliOHM' tUF) pression sur la pellicule à la passe formée par le rouleau r:r0Íi et le roul0nu de pression, par exemple un dispositif à levt' ut J(j]'liL0tte au rouleau de pression d'appliquer son poids sur 1. pfïliciàlz 3, la pBsa; dans une forme d'exécution appropriée, représentée sur la Fi6. Il, un bras de levier 16 pouvant pivoter sur un "xe 17 est c(Jm:1(md' de façon à appliquer une pression désirée aur le l'ouloau de pression 14 au moyen d'un piston pneumatique 18.
En g4ral, la présente invention peut être réalisée avec une vr1étú de matières polymères thermoplastiques normalement solidema11 en vrt1culir, elle convient parfaitement pour extruder dos l'OlYll1(JI'O:J normalement solides d'Yrydrocarburcs aliphatiques inonfiol4finJ.fiuoi ayant une densité comprise entre environ 0,9) et OJ96 at f0nài#Tii Clf.t'ZrJ la gamme de 195 à 325 F (90, 5 à 162,5 C) et etn particulier, du po7,y.;t,ylène possédant les propriétés préci-
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tées.
Suivant le polymère particulier utilisé, les conditions sui- vantes permettent généralement la mise en pratique de la présente invention à des vitesses d'extrusion jusqu'à présent impossibles à atteindre pour fabriquer une pellicule plane ayant d'excellentes propriétés optiques et de résistance sans bulles, rides, etc.
Polymère Densité 0,91-0,96, de préférence
0,917-0,930
Indice de fusion 0,3-50, de préférence 1,5-5,0 Température de fusion 300 à 600 F (149 à 316 C), de préférence
400 à 500 F ( 204 à 260 C) Pression de pinçage 0,2 à 250 livres/pouce carré (0,014 à 17,6 kg/cm2), de préférence 5 à 60 2 livres/pouce carré (0,3 à 4,2 kg/cm ) Température du rouleau 0 à 212 F (-18 à 100 C), de préférence refroidi parfaitement poli 50 à 125 F ( 10 à 66 C).
Distance d'étirée vers 0,5 à 60 pouces, (1,27 à 152, 4 cm), de le bas préférence 1 à 5 pouces (2,5 à 12,7 cm) Diamètre du rouleau 1/2 à 4 pieds,(15 à 120 cm), de prfé- refroidi rence 1 à 2 pieds (30 à 60 cm) Diamètre du rouleau de 1/8 à 2 pieds (3,75 à 60 cm), de préfépression.
rence 1/4 à 1/2 pied (7,5 à 15cm)-
Dans une forme d'exécution spécifique, on a utilisé un rouleau refroidi, chromé, parfaitement poli, entraîné dans le sens des aiguilles d'une montre et maintenu à environ 75 F (24 C), ce rouleau ayant un diamètre de 2 pieds (60cm) et une longueur de 30 pouces (76 cm), et un rouleau de pression en caoutchouc de 16 pou- ces de diamètre (41cm) et de 2,5 pieds de long (75cm) exerçant une pression de 20 livres/pouce carré (1,4 kg/cm2) à la passe, pour extruder par une filière du polyéthylène (indice de fusion 4,9 et densité 0,9285) à une température de 475 F ( 246 C) en une pelli- cule de 2 millièmes de pouce (0,05 mm) d'épaisseur en lui faisant parcourir une distance d'étirage vers le bas de 6,5 pouces (16,5 cm)
dans la passe formée entre les deux rouleaux. Dans ces conditions, on a obtenu une pellicule très limpide et d'épaisseur uniforme, sans plis ou bulles d'air, même à des vitesses d'extrusion atteignant 402 pieds/minute (121 m/min.). Dans des conditions comparables,mais
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sans le rouleau de pression, on obtient une pellicule de mauvaise qualité ayant des plis par suite d'une occlusion-d'air qui se produit déjà à des vitesses d'extrusion aussi faibles que 75 pieds/ minute (22,5 m/min).
Dans d'autres essais, on a utilisé un extrudeur de 2,5 pouces (6,35cm) à une température de la filière de 475 F (246 C) à une vitesse visant à produire une pellicule de polyéthylène (indice de fusion 5,1 , densité 0,9283) de 6 millièmes de pouce (0,15mm) d'épaisseur tirée vers le bas dans la. passe formée entre un rouleau chromé de 12,5pouces(31,75cm) de di#mètre et un rouleau de pression revêtu de Téflon de 4 perces (10cm) de diamètre, les deux rouleaux ayant une longueur de 28 pouces (71cm) et étant refroidis intérieurement par une circulation d'eau, de sorte que le rouleau revêtu de Téflon est à une température de 80 F (27 C) et le rouleau chromé à une température de 100 F (38 C).
Lorsdu'on utilise cette installation avec le rouleau en Téflon qui presse la nappe contre le rouleau chromé à la passe formée entre ces deux rouleaux, on atteint sans plis dans la pellicule , des vitesses allant jusqu' à 390 pieds par minute (117 m/min)., c'est-à-dire la vitesse maxima de l'équipement utilisé. D'autre part, lorsqu'on fait fonctionner l'installation sans le rouleau de pression, des plis se forcent dans la pellicule à des vitesses d'environ 85 pieds par minute(25,m/min).
Dans la pratique de la, présente invention, la nature de la pellicule peut être modifiée comme on le désire par la surface particulière utilisée pour le rouleau de pression et pour le rouleau refroidi. Ainsi, pour des vitesses d'extrusion extrêmement élevées et pour obtenir des pellicules très limpides, on utilise de préférence une combinaison d'un rouleau refroidi chromé parfaitement poli et d'un rouleau de pression en Téflon parfaitement poli.
Dans des cas où on désire obtenir une pellicule comportant des zones en Téflon par exemple et des zones en caoutchouc siliconé par exemple, de sorte que la partie de la pellicule venue en contact avec le Téflon du rouleau soit parfaitement transparente tandis que
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les zones venues en contact avec le caoutchouc de silicone sont opaques. On peut ainsi produire dans les conditions spécifiées, des combinaisons d'une pellicule "dépolie", et transparente simultanément aux vitesses d'extrusion exceptiollement élevées de la présente invention.
Comme décrit, l'invention peut être réalisée à des vitesses d'extrusion exceptionnellement élevées, de préférence en extrudant la pellicule en matière plastique fondue dans la passe forcée par les deux rouleaux, de façon qu'elle soit simultanément en contact avec les deux rouleaux. Dans certains cas cependant, il peut être souhaitable que la pellicule en matière plastique fondue vienne en contact initialement avec le rouleau refroidi, puis Inverse la passe formée par les deux rouleaux et, dans ce cas, le contact avec le rouleau de pression doit se faire. assez rapidement après le premier contact de la pellicule avec le rouleau refroidi de façon à éviter un refroidissement excessif et une occlusion d'air résultante, tendant à plisser la pellicule.
Dans chaè que cas, l'utilisation suivant la présente invention d'un rouleau de pression empêche efficacement une occlusion d'air' entre la pellicule et le rouleau refroidi de sorte que l'on obtient non seule- ' .ment une pellicule d'épaisseur exceptionnellement uniforme mais également une pellicule qui a été soumise à un refroidissement uniforme sur toute sa surface et qui possède ainsi des caractéristiques physiques uniformes.
Quoiqu'on n'ait décrit nu'un nombre limité de formes d' exécution de l'invention, il est clair que d'autres encore sont possibles sans sortir de son cadre.