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Appareil et procédé pour couler par extrusion à vitesse élevée et produit obtenu.
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 fabrication de pellicules minces très limpides en coulant par extru- sion à grande vitesse des polymères normalement solides de matières à non-saturation éthylénique, tels que des polymères thermoplasti- ques d'hydrocarbures aliphatiques monooléfiniques de bas poids molé- culaire, comprenant du polyéthylène, du polypropylène, du butène-1, ses copolymères, et des matières analogues ainsi que d'autres matiè- res thermoplastiques telles que des polymères et des copolymères de vinyles, comme le styrène, des polyamides comme le Nylon, des poly-
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mères acryliques,
des polymères cellulosiques et autres.
Pour autant qu'on le sache, les procédés d'extrusion utilises jusqu'à présent pour fabriquer des feuilles minces, des pellicules, etc., à partir de matières polymères des types précités sont limités à des vitesses d'extrusion relativement peu élevées et, par exemple, ne sont pas pratiques à des vitesses d'extrusion sensi- blement élevées telles que 400 pieds (120 m) par minute ou plus car des tentatives pour travailler à ces vitesses élevées ont donné une pellicule dont la qualité n'est pas satisfaisante et qui possède des propriétés et/ou des combinaisons de propriétés indésirables.
Par exemple, dans des procédés dans lesquels la matière polymère est extrudée sous forme d'une masse fondue à partir d'une filière à fente dans un bain d'eau de refroidissement, la vitesse d'extru- sion est limitée aux vitesses peu élevées auxquelles l'entraînement de l'eau par la surface de la nappe de matière plastique ne dépasse pas certaines limites tolérables. Un autre inconvénient de ce pro- cédé est que la vitesse critique diminue lorsque certains additifs (par exemple des agents de glissement) sont présents dans la matiè- re polymère parce que ces additifs favorisent généralement l'entrai- nement de l'eau.
Dans un autre procédé dans lequel la masse fondue est extrudée à partir d'une filière circulaire àe façon à produire une bulle qui est refroidie par un courant d'air envoyé sur la surface de la matière plastique fondue, les vitesses sont limitées aux vitesses d'extrusion relativement peu élevées et sont fonction de la vitesse de refroidissemen qu'il est possible d'obtenir à des vitesses et des températures de l'air raisonnables.
Dans d'au- tres procédés encore, dans lesquels le polymère fondu est extrudé d'une filière à fente sur un rouleau métallique poli refroidi, les vitesses sont limitées aux vitesses relativement peu élevées aux- quelles une occlusion irrégulière de l'air entre la nappe de matiè- . re plastique fondue et le rouleau ne se produit pas dans une mesure nuisible parce que cette occlusion d'air aboutit à la fabrication de feuilles et de pellicules ayant des bulles, des rides, etc. et
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ainsi de pellicules de mauvaise qualité qui ne peuvent, en outre, pas être roulées en un rouleau compact et serré. Ces difficultés sont dues principalement à l'air occlus qui empêche la pellicule de se placer à plat et en contact en substance uniforme et complet avec le rouleau.
La présente invention a pour but de procurer un procédé et un appareil pour extruder des matières polymères en des pelli- cules de qualité exceptionnelle à des vitesses d'extrusion jusqu'à présent impossibles à atteindre. L'invention a encore pour but de procurer un procédé et un appareil pour fabriquer des pellicules en ces matières, permettant d'éviter les limitations aux vitesses d'extrusion élevées rencontrées dans les procédés connus.
L'invention a enfin pour but de procurer un procédé et un appareil permettant de fabriquer des pellicules minces en des matières poly- mères thermoplastiques à des vitesses d'extrusion relativement éle- vées, ces pellicules possédant une combinaison de propriétés unique et souhaitable comprenant une résistance aux chocs et une limpidité ("transparence") élevées, une surface extrêmement lisse de finesse microscopique et des caractéristiques "d'adhérence". D'autres buts et avantages de la présente invention ressortiront de la description détaillée donnée ci-après.
Brièvement dit, l'invention se rapporte principalement à un procédé d'extrusion dans lequel une nappe plastique de la matiè- re polymère est coulée sur un rouleau rotatif refroidi, d'une façon et dans des conditions propres à empêcher une occlusion d'air entre la nappe plastique et le rouleau, ainsi qu'avec un refroidissement contrôlé efficace de la nappe, tout en réduisant au minimum ou en évitant un gaufrage de la nappe plastique de façon à obtenir une pellicule d'excellente qualité et de bonne transparence à des vi- tesses d'extrusion, pour la coulée sur des rouleaux refroidis, impossibles à atteindre jusqu'à présent.
Suivant la présente invention, une pellicule de la matiè- re polymère ext udée à l'état fondu est étirée sur la surface d'un
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rouleau rotatif refroidi comportant une surface lisse et, peu après sa première entrée en contact avec le rouleau refroidi, pendant qu'elle est encore en contact avec ce rouleau, la pellicule est en- trainée à travers une passe formée par le rouleau refroidi et un
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rouleau de pression "ì ag4qye" (tournant en sens inverse du rouleau refroidi) tandis que le rouleau de pression est maintenu mouillé d'un liquide approprié de façon à intercaler une pellicule de ce liquide entre le rouleau de pression et la surface chaude de la pellicule.
Dans un mode de réalisation particulièrement appro- prié, on entretient juste dans la passe ménagée entre la pellicule ;
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le rouleau "élastt1ue", un bain de liquide approprié, la surface de ce bain étant maintenue à un niveau qui ne dépasse en substance pas le point de contact initial de la pellicule fondue avec le rou- leau refroidi mais qui est de préférence au même niveau ou à un
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niveau mférieur à celui-ci.
Dans la mise en oeuvre d'un tel procédé,dans lequel la pellicule fondue contacte d'abord le rouleau refroidi, on a constaté qu'une occlusion d'air est empêchée entre la pellicule et le rou-
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leau refroidi par la onntact ultérieur avec le rouleau de pression de sorte que la suriade de la pellicule est posée à plat sur la surface refroidie, --et soumise à un refroidissement uniforme, et est obtenue soue tome d'une pellicule présentent un poli exceptionnel
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et une épaisseur uniform,, De plus, le support fourni 1 la pellicule posée à la% sur le rouleau refroidi permet d'éviter
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une rupture et un ballott88t de la pellicule.
On a Qonstat6 que ce procède petwet de fabriquer une pel- licule plan* et -1U¯te eottpertent d' o*ll %8 propriétés physiques d6ters,' es à des vitesses d'aUII81oa esc.,U..8l18MDt élevées qui ne 8Qli.t lisities qwe par la viteete de 'rupture à l'ita fondu du polymère çui est tradi. L'obtentian de oes rlraoltata est rendue possible par l'.til1..UOD du 1W1- de pTeMiea ' üns- tique" qui ? st plate3 de laqao à expliquer tate pfeetioa sur la pe7li cule qui traverse la passe fwMte< par le r lem ..t8Ui41l8 et par
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le rouleau de pression "élastique" de sorte que, comme on l'a consta- té, l'air ne peut être aspiré en dessous de la nappe fondue puisque celle-ci est pressée vers le bas sur le rouleau refroidi.
En main- tenant le rouleau de pression "élastique" mouillé d'un liquide approprié, par exemple en maintenant un bain de liquide comme mentionné plus haut entre le rouleau de pression élastique et la nappe plastiaue, on refroidit la nappe au préalable d'une façon déterminée avec précision en durcissant de façon transitoire la sur- face extérieure de la nappe fondue, de manière à empêcher une détérioration du brillant de la surface de la pellicule par le rou- leau élastique même aux vitesses d'extrusion exceptionnellement élevées que l'on peut obtenir gràce à la présente invention.
A cet effet, le rouleau refroidi doit avoir une surface métallique lisse et on a constaté que des rouleaux chromés parfai- tement polis conviennent particulièrement à cet effet. Cependant, des rouleaux fabriqués en d'autres matières tels que des rouleaux ayant une surface d'acier, d'aluminium, etc. lisse et parfaitement polie peuvent également être utilisés. En ce qui concerne le rouleau élastique, la surface de ce rouleau doit comprendre une matière possédant des caractéristiques d'élasticité et on peut, par exemple, utiliser des matières telles que ou caoutchouc siliconé, du néoprène, du caoutchouc naturel, du Téflon, des fibres, etc.
En ce qui concerne le liquide servant à maintenir le rouleau élastique Mouille, on peut utiliser n'importe quel li@@ide qui n'attaque pas la pellicule polymère ou qui ne réagit pas de façon à ésavantageuse avec elle et qui a un point d'ébullition suffisamment élevé pour ne pas entrer en ébullition dans les condi- tions de marche du procède utilisé. Dans la plupart des cas, l'cau convient parfaitement, ainsi que des mélanges aqueux de matières telles que de l'éthylène glycol, du diéthylène glycol, de la gly- *érine et d'autres matières.
La température du liquide utilise à cet effet, par exemple pour maintenir une masse de liquide entre le rouleau élastique et la nappe plastique, doit au cours du
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procédé être maintenue en dessous du point de fusion du polymère pour contribuer à durcir la pellicule et à éviter une déformation de la pellicule due à une turbulence de la masse de liquide si ce liquide venait à entrer en ébullition.
Suivant les particularités de l'appareil de la présente invention, cet appareil comprend deux rouleaux tournant en sens inverses, l'un des rouleaux étant un rouleau entraîné et comportant une surface métallique lisse susceptible d'être maintenue à une tem- pérature inférieure à la température de solidification du polymère extrudé et l'autre rouleau comportant une surfaceélastique, ces rouleaux étant placés l'un par rapport à l'autre de façon à former une passe, le rouleau élastique exerçant une pression à l'endroit de la passe,
un dispositif pour extruder une pellicule fondue en une matière polymère tangentiellement sur le rouleau à surface métalli- que dans le sens de rotation @@ -ce rouleau en un point situé avant la passe de façon que la pellicule fondue reste en contact avec le rouleau métallique avant de tr@ erser la passe où une pression est exercée sur la pellicule par le rouleau élastique, et un dispositif pour maintenir entre la pellicmie et le rouleau élastique une pelli- ;
ouïe de liquide qui (1) soit inerte par rapport à la pellicule, (2) mouille le rouleau élastique de façon qu'une couche mince du liquide soit constamment Intercalée entre la pellicule et le rouleau élasti- que qui tourne dans le sens Inverse du rouleau à surface métalli- que, et (3) lorsque le procédé est réalisé avec le maintien d'un bain de liquide, comme décrit, la surface du bain est maintenue à un niveau en substance non supérieur à celui du point de contact initial de la pellicule fondue avec le rouleau à surface métallique.
Le poids du bain de liquide centre la pellicule fondue amorce l'exclusion @@ l'air ce qui diminue de façon appréciable la sévérité de l'action qui autrement serait requise du roule= de pinçage élastique.
On décrira ci-après davantage l'appareil de la présenta invention, on se référant aux dessins annexés qui représentent à
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titre d'exemple une forme d'exécution spécifique de cet appareil.
Dans les dessins : la Fig. 1 est une coupe verticale d'une telle forme d'exécution; la Fig. 2 représente une forme d'exécution d'un dispositif servant à maintenir une pression désirée sur le rouleau de pression; et, la Fig. 3 est une tue en perspective d'un appareil du genre représenté sur la Fig. 1, avec une forme d'exécution plus détaillée d'un dispositif convenant pour maintenir le bain de liquide entre le rouleau élastique et la nappe plastique.
Dans ces dessins, 10 est une filière d'extrusion contenant le polymère fondu à extruder et de laquelle une pellicule fondue fraîchement extrudée 11 est étirée vers le bas tangentiellement sur un rouleau métallique parfaitement poli 12 de façon que la pelli- cule se dépose sur le rouleau métallique dans le sens de rotation de celui-ci avant de traverser la passe formée entre le rouleau métallique 12 et le rouleau de pression élastique 13 dont la surface est formée par une matière élastique et qui tourne en sens inverse du rouleau 12.
Un dispositif approprié., tel qu'un bac 14, est alimenté d'un liquide approprié par une entrée appropriée à une extrémité du bac et une sortie de liquide à son extrémité opposée de façon à maintenir suffisamment de liquide dans le bac pour per- mettre au rouleau 13 d'entraîner de l'eau dans le bain de liquide 15 afin d e maintenir du liquide entre la pellicule 11 et le rouleau 13. Un dispositif approprié tel qu'une raclette 16 est placé de façon à régler la quantité de liquide entraîné par le rouleau 13 pendant sa rotation afin d'empêcher la surface du bain 15 de monter à un niv@@@ supérieur à celui désiré.
@@ Fig.2 représente le rouleau d e pression 13 pourvu d'un dispotitif servant à appliquer la pression et, comme le montre le dessin, de dispositif comprend un levier 30 monté à pivot en 31 et commandé, de façon à appliquer une pression désirée sur le rouleau l@' au moyen du piston pneumatique 32.
La Fig. 3 représente en perspective un rouleau métallique refroidi parfaitement poli 12 dont la température de surface est
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commandée par l'introduction d'un agent de refroidissement appro- prié (par exemple de l'eau) dans le rouleau 12 via l'entrée 20 et par l'évacuation de l'eau via la sortie 21. Comme le montre le dessin, la pellicule 11 est extrudée de la filière d'extrusion 10 sur le rouleau 12, la pellicule contactant le rouleau 12 avant la passe formée avec ae rouleau élastique 13 qui exerce, sur la pelli- cule passant entre le rouleau 12 et le rouleau 13, une pression résultent du poids du rouleau lui-même) si on le désire, on peut obtenir une pression plus forte en ajoutant des poids au rouleau 13.
Pour cette forme d'exécution représentée sur la Fig. 3, le bac 14 comporte une entrée de liquide 22 et des sorties de liquide 23 et 24 servant à évacuer le liquide du bac. Des feutres fixes 25 placés de façon appropriée afin d'empocher le liquide d'être entra!- né par le rouleau métallique 12 servent d'éléments racleurs et renvoient le liquide dans le bac 14, empêchant ainsi le liquide d'arriver sur le rouleau métallique 12 dans la partie de ce dernier en contact avec la pellicule 11 parce que la présence de liquide entre la pellicule 11 et le rouleau 12 est nuisible par suite de la formation de bulles, de rides, etc., empêchant d'effectuer l'extru- sion aux vitesses élevées désirées.
La Fig. 1 représente également un rouleau fou 27 qui peut être utilisé pour supporter la pellicule lorsqu'elle a quitté le rouleau refroidi 12 et sur lequel la pelli- cule peut généralement rester Jusque ce qu'elle soit complètement refroidie et stabilisée. Cependant, si on le désire, et en parti- culier lorsqu'un refroidissement supplémentaire est nécessaire ou souhaitable, la pellicule qui quitte le rouleau refroidi 12 peut être entrainée sur un ou plusieurs rouleaux refroidis supplémentai- res avant de passer sur le rouleau fou 27.
Quoique les conditions de travail et l'appareil de la pré- sente invention puissent être modifiés en fonction du polymère particulier à extruder et des propriétés désirées de la pellicule, sur lesquelles on peut agir grâce à la souplesse de la présente invention en ce qui concerne les températures utilisées pour le
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rouleau métallique refroidi et pour le liquide mouillant le rouleau de pression, le tempe de séjour de la nappe fondue sur le rouleau métallique, etc., l'invention trouve une application particulière- ment importante dans la fabrication de pellicules ayant une épais- seur comprise dans la gamme allant d'environ 25 millièmes de pouce (0,063 mm) à environ un centième de pouce (0,25 mm), et de préfé- rence jusqu'à environ 4 millièmes de pouce (0,1 mm)
à partir de matières polymères ayant une densité comprise entre environ 0,90 et 1,70 qui foiident à des températures comprises entre 150 et 250 F (66 et 121 C). Des polymères inclus dans ces matières sont des polyéthylènes, des polypropylènes, des copolymères de chlorure de vinylidine, certains nylons, etc., un exemple plus spécifique étant un polyéthylène ayant une densité moyenne de 0,93 et un point de fusion d'environ215 F (101, 5 C) . Pour des polymères ayant ces propriétés, la technique de la présente invention permet d'extruder une pellicule à des vitesses dépassant 700 pieds/minute (210 m/min.) qui, pour antant qu'on le sache,
sont largemant supérieures à n'importe quelle vitesse que l'on pouvait atteindre avec les pro- cédés d'extrusion utilisés jusqu'à présent sans que la pellicule soit de mauvaise qualité par suite surtout d'une occlusion de l'air et d'un gaufrage de la pellicule. De plus, même à ces vitesses d'extrusion élevées, la souplesse de la présente invention est telle que les conditions de marche peuvent être modifiées sans limiter les vitesses d'extrusion ce qui permet de réaliser des pellicules ayant différentes propriétés, comme on le désire, à partir du même polymère.
A titre d'exemple également des vitesses d'extrusion exceptionnellement élevées rendues possibles par la présente in- vention, on a fabriqué une pellicule de polyéthylène de limpidité ("transparence") exceptionnelle et de résistance aux chocs élevée à la vitesse d'au moins 720 pieds/minute (216 m/min.) en utilisant les conditions et l'appareil suivants. Il est cependant clair que ces conditions et ces éléments ne sont donnés qu'à titre
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d'exemple de formes d'exécution spécifiques de l'invention qui n'y est aucunement limitée.
Propriétés du polyéthylène = Densité de 0 91 à 0,96 Point de fusion 2000 à 265 F (93 à 129 C) Filière d'extrusion = Longueur 34 pouces (86 cm)
Largeur de l'orifice 32 pouces (81 cm) Température du polymère dans = 325 F (162,5 C) l'extrudeur Température de la masse fondue = 310 F (154 C) sortant de l'orifice de la filière Epaisseur de la pellicule 0,001 pouce (0,025 mm) fondue pendant l'étirage vers le bas Distance d'étirage vers le = 2 à 8 pouces (5 à 20 cm) bas à partir de l'orifice de l'extrudeur jusqu'au rouleau métallique Rouleau refroidi Rouleau chromé parfaitement poli de 8 pouces (20 cm) de diamètre et de 48 pouces (122 cm) de longueur Rouleau élastique Rouleau revêtu de caoutchouc siliconé, de 4 pouces (10 cm)
de diamètre Température du rouleau métallique Température de surface main- tenue en dessous d'environ
190 F (88 C) par une intro- duction déterminée d'eau à
60 - 170 F (15,6 - 76,7 C) dans le rouleau métallique Pression exercée par le rouleau 5 à 50 livres/pouce (2,27 à de pression 28,7 kg/2,5 cm) Température du liquide (eau) 60 à 180 F (15,6 à 82 C) dans le bac Hauteur (distance verticale) du Maintenue à 1-1,5 pouce bain de liquide entre le rouleau (2,5 à 3,8 cm) élastique et la pellicule Angle de passage de la masse = 15 fondue de l'extrudeur au rouleau métallique (angle formé entre la pellicule fondue et une perpendiculaire tracée à partir de l'orifice de la filière) Distance verticale entre la passe = 1/2 à 8 pouces (1,27 à 20,
3 et 1@ niveau auquel la pellicule cm), de préférence 1,5à 3 concacte initialement le rouleau pouces (3,8 à 7,6 cm) métallique
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Dans des conditions comparables, mais sans le rouleau de pression élastique et le bain d'eau maintenu entre le rouleau et la pellicule, on ne peut pas atteindre des vitesses d'extrusion de 300 pieds minute (90 m min.) sans produire une pellicule de mauvaise qualité par suite d'une occlusion d'air entre le rouleau refroidi et la pellicule;
et, dans des conditions comparables, mais sans le bain d'eau entre le rouleau de pression et la pellicule, il est non seulement impossible d'atteindre des vitesses d'extrusion de l'or- dre de celles atteintes par la présente invention mais le rouleau de pression abîme la surface de la pellicule de sorte qu'on obtient une pellicule dont les caractéristiques de transparence sont infé- rieures à celles que l'on désire obtenir.
En ce qui concerne le rouleau de pression, ce rouleau peut, si on le désire, être entraîné et dans ce cas il est préféra- ble qu'il soit entraîné en rotation à une vitesse périphérique légèrement inférieure à celle du rouleau métallique refroidi. Cepen- dant, dans une forme d'exécution préférée, le rouleau de pression n'est pas entraîné mais tourne par le frottement de la pellicule parce qu'on obtient ainsi une légère résistance qui sert à contri- buer à empêcher une occlusion d'air sur et au-dessus de la pression exercée sur la pellicule par le rouleau de pression élastique.
De plus, et si on le désire, le rouleau de pression peut être refroidi par exemple par un refroidissement intérieur assuré par un passage de l'eau de refroidissement à travers le rouleau, afin de contribuer à maintenir le bain de liquide en dessous du point d'ébullition de ce liquide.
Dans la mise en pratique de la présente invention, on a constaté que l'on obtient des avantages matériels et marqués en utilisant un rouleau de pression élastique fonctionnant avec un liquide approprié maintenu entre la pellicule et le rouleau de pres- sion comme trit plus haut. On a constaté, et cette constatation a une très grande importance, qu'en utilisant le rouleau de pression, on élimine une occlusion d'air nuisible entre la nappe chaude et
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le rouleau métallique refroidi et on empêche ainsi la formation de plis, de rides ou de bulles dans la pellicule ou la feuille.
En utilisant la combinaison du rouleau métallique refroidi, du rouleau de pression élastique et d'un liquide approprié entre le rouleau de pression et la nappe chaude, on obtient un autre avantage matériel résidant dans le fait que la pellicule a une limpidité ou transpa- rence excellente parce que le liquide sert à empêcher un gaufrage de la pellicule par la surface de la matière élastique du rouleau de pression même aux vitesses d'extrusion extrêmement élevées de l'ap- pareil de la présente invention.
De plus, en utilisant un bain de liquide, comme décrit plus haut, le poids du liquide exerçant une pression sur la pellicule chaude supportée par le rouleau refroidi contribue également à empêcher une collusion d'air entre le rouleau refroidi et la pellicule et sert en outre à distinguer la présente invention des procédés connus dans lesquels l'extrusion est réalisée en faisant passer verticalement une pellicule fondue à travers la passe formée entre deux rouleaux métalliques tournant en sons inverses, un bain d'eau étant maintenu de chaque coté de la pelli- cule dans la nappe.
Cogérée à un tel procédé dans lequel la pelli- cule fondue vient d'abord en contact avec l'eau, la présente inven- tion dans laquelle la nappe chaude vient d'abord en contact avec le rouleau refroidi assure une meilleure maîtrise du refroidissement de la pellicule et permet d'obtenir des vitesses d'extrusion élevées en restant maître des propriétés physiques de la pellicule par rapport à différentes propriétés que l'en peut désirar obtenir à partir du même polymère.
En ce qui concerne également certaines parti@ularités de l'appareil de la présente inventif il est clair que l'on peut utiliser des dispositifs autres que ceux décrits de façon spécifi- que pour maintenir un bain de liquide entre le rouleen de pression et la pellicule, pour commander le niveen de la surface du bain de liquide, pour refroidir la roule métallique. pour ..,coller l'entraînement du liquida par le rouleen métallique reffoidi, et
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pour des raisons analogues et que ces variantes rentrent dans le cadre de l'invention.
Quoique certaines formes d'exécution de l'invention aient été décrites de façon détaillée avec référence aux dessins annexés, il est clair qu'elle n'y est pas limita mils que de nombreux chan- gements et modifications peuvent y être apportés sans sortir de son cadre.
REVENDICATIONS.
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1.- Procédé pour couler par extrusion des polymères themc plastiques, caractérisé en ce qu'on extrade une pellicule fondue d'un polymère thermoplastique normalement solide sur un rouleau rotatif refroidi maintenu à une température inférieure à la tempé- rature de solidification du polymère et on fait passer la pellicule, pendant qu'elle est supportée sur le rouleau rotatif, à travers une passe formée entre le rouleau et un rouleau de pression tournant en sens inverse et comportant une surface élastique, ce rouleau de pression exerçant sur la pellicule, à l'endroit de la passe une pres sion suffisante pour empêcher une occlusion d'air entre le rauleau refroidi et le rouleau de pression tout en maintenant entre le rouleau de pression et la pellicule, à l'endroit de la passe,
un liquide inerte par rapport au polymère.