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Procédé de préparation d'articles fibreux présentant des zones à densités de fibres différentes.
La présente invention se rapporte d'une manière générale à un procédé de préparation d'articles fibreux qui présentent dans des zones déterminées une densité de fibres nettement différente de celles existant dans d'autres zones desdits articles. De manière plus précise, l'invention con- cerne des procédés pour préparer de tels articles par formage (conformément à des techniques décrites plus en détails ci-après) d'articles préparés à partir de fibres imprégnées de résines ' synthétiques.
En bref, le procédé de l'invention co ste à pré- parer d'abord un article préformé en fibres, de préférence en
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fibres imprégnées de résine, avec une densité de fibres prati- quement uniforme, puis à soumettre l'article préformé humide à une pression entre les éléments opposés d'un moule sécheur dont l'un au moins présente une ou plusieurs cavités sur sa surface @ en contact avec l'article préformé.
La dimension des cavités est telle que les fibres de l'article préformé se répartissent dans le volume des cavités au cours du séchage, de sorte que les sones de l'article préformé en contact avec les cavités forment des ex- tensions ou des saillies sur la surface de l'article préformé, De cette manière, la répartition ou la densité de fibres dans toutes ces zones, c'est-à-dire dans les extensions ou les saillies et les parties de l'article préformé situées au-dessous de ces sail- lies, devient inférieure, dans une mesure appréciable, aux den- sités de fibres des zones contiguës de l'article préformé.
Il est fréquemment avantageux d'imprégner les libres par une résine synthétique à l'état liquide après l'expansion des fibres de l'article préformé dans les cavités des éléments du moulo. Par suite, des proportions relativement plus importantes de la résine pénètrent dans les zones à densité de fibres plus faible. Après durcissement d'une résine qui donne à l'état dur- ci une résine relativement cassante, ces dernières zones sont' plus fragiles et plus cassantes que les autres zones à densité de fibres plus forte et à proportions de résine plus faibles.
L'invention concerne donc un procédé pour préparer des articles fibreux présentant des zones déterminées dans les- quelles la densité de fibres est nettement différente de celles existant dans d'autres zones desdits articles.
Il en résulte que les articles fibreux obtenus pré- sentent des zones déterminées plus cassantes que les autres. Le procédé de l'invention permet de préparer des articles fibreux imprégnés de résine qui, dans des zones déterminées, contiennent. des proportions relatives de résine nettement différentes de
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celles présentes dans les autres zones de l'article.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront à la lecture de la description ci-après, donnée en référence au dessin annexé dans lequel ; la Fige 1 est une représentation fragmentaire en perspective du stade de formage de l'article préformé fibreux la Fig. 2 est une représentation similaire du stade dans lequel on forme des zones à densité de fibres plus faible dans l'article préformé ; la Fig. 3 est une vue fragmentaire en perspective de l'article préformé obtenu dans l'opération de la Fig. 2 ; la Fig. 4 est une représentation fragmentaire en perspective du stade d'imprégnation par une résine ; la Fige 5 est une vue fragmentaire en perspective de l'article préformé imprégné de résine ;
la Fig. 6 est une vue de profil, partiellement en coupe, avec arrachement, d'un carénage de fusée préparé par le procédé de l'invention ; la Fig. 7 est une vue fragmentaire en coupe transver- sale du poinçon et de la matrice en relation opératoire pour la préparation du carénage de fusée de la Fig. 6 la Fig. 8 est une vue fragmentaire en élévation fron- tale, d'un quart de la section transversale du poinçon de la Fig. 7,. et la Fig. 8A est une vue fragmentaire agrandie d'une portion dudit poinçon.
En se référant au dessin annexé, les principes fonda-, mentaux du procédé de l'invention sont illustrés aux Fig. 1 à 5.
On prépare d'abord un article préformé 10 en fibres telles que des fibres de cellulose de bois, des fibres de verre et/ou des fibres similaires. L'artiole préformé 10 peut être préparé par l'agglomé- ration des fibres contenues dans une dispersion aqueuse sur une toile ou un moule poreux 11 présentant la forme voulue. L'agglo- mération des fibres peut être complétée par aspiration de l'eau
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de la dispersion au travers du tamis poreux dans un collecteur 12, jusqu'au moment où l'on obtient un article préformé fibreux ana- lcg a une nappe présentant l'épaisseur voulue, labituellement, uni me,
L'article préformé humide peut être transéré avec tou- te son humidité résiduelle ou après séchage partiel dans une machin.
@ ' ne portant un moule à deux éléments 13 et 14 coopérant antre eux et entre lesquels on presse l'article préformé 10. Les céments 13 et 14 du moule sont chauffés,, et on a représenté symboliquement ce chauffage par des brûleurs 15 et 16. L'élément du moule '13 qui est en conthot avec l'article préformé présente des parties @@ retrait, dans le cas de la figure un quadrillage de cannelures 17 et 18, qui ménagent dans cette face des renfoncements dans lesquels l'irticle préformé peut se dilater au moment où on applique la chaleur et la pression.
L'humidité de l'article préformé s'évapore sous l'éffet de la chaleur fournie par les éléments 13 et 14 du moule et ells est évacuée d'entre les éléments. Les fibres situées dans les zones de l'article préformé immédiatement contiguës aux cannelures 17 et 18 remplissent ces cannelures. Il en résulte une formation de rer- vures ou de parties en saillies 19 et 20 sur la surface de l'arti- cle préformé, avec formation simultanée de zones 21 et 22 sur toute l'épaisseur le l'article préformé, la densité des fibres dans ces zones étant inférieure à celle qui existe dans les zones 23 situées entre les nervures.
Ces variations de densités résultent de mouve- ments localisés des fibres dans les zones immédiatement voisines des parties en saillie et la densité des fibres dans ces zones de- vient inférieure, dans une mesure appréciable, à celle existant dans les zones 23.
L'article préformé et présentant des parties en sail- lies représenté à la Fig. 3 est séché jusqu'à une teneur en huin- dité qui ne dépasse pas 20 % environ en poids, entre les éléments ,
13 t 14 du moule, car ces derniers sont pourvus de dispositifs
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qui permettent d'évacuer la vapeur formée lors du chauffage de l'article préformé. L'article préformé portant des parties en saillies et séché peut ensuite être imprégné par une résine syn- thétique sous forme liquide, par exemple par un précurseur li- quide de résine synthétique susceptible de durcir en une résine solide, ou par une solution d'un polymère résineux dans un sol- vant organique.
Ce stade est illustré symboliquement à la Fig. 4 du dessin annexé où l'article préformé séché 24 est immergé dans une masse 25 de résine liquide dans un récipient 26.
L'imprégnation à la résine de l'article préformé pré- sentant des zones à densités de fibres différentes donne un article dans lequel les proportions relatives de résine (par rapport aux fibres) varient en fonction Inverse de la densité des fibres de l'article avant l'imprégnation par la résine. Ces détails sont illustrés à la Fig. 5 dans laquelle les zones 27 et 28 imprégnées de résine et correspondant aux zones 21 et 22 de l'article préfor- mé avant imprégnation, présentent un rapport résine/fibre supérieur à celui existant dans les zones imprégnées de résine 29 qui corres- pondent aux zones 23 de l'article préformé avant imprégnation.
Les fibres de cellulose de bois constituent un type préféré de fibres pour la mise en oouvre de l'invention. On peut agglomérer des mélanges de faisceaux coupés de filaments de verre et de fibres de cellulose avec des additions de résine à partir de dispersions aqueuses desdites fibres en vue d'obtenir des strutu- res moulées plus résistantes. On peut également ajouter une résine pour conférer à l'article préformé moulé une bonne résistance méca- nique au mouillé. La résine du commerce "Parez 607" (mélamine-for. maldéhyde) constitue par exemple une résine appropriés à cet usage.
Les quantités utilisées sont de 0,5 à 5 % du poids des fibres de cellulose, Ces structures peuvent contenir par exemple de 5 à 95 % de mèches de verre coupées, de 95 à 5 % de fibres de cellulose (par rapport au poids total des fibres) et de 5 à 25 % d= ésine par
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rapport au poids des fibres. Comme autres fibres susceptibles d'être utilisées, on citera les fibres de mica, les fibres d'amiante, etc ...
Les résines d'imprégnation qui conviennent sont par exemple les résines thermodurcissables phénol-formaldéhyde et mélamine-formaldéhyde, dans l'isopropanol. On peut également uti- liser une résine phénol-formaldéhyde dans un mélange eau-alcool dilué par l'éthanol, la 2-butanone ou des associations de ces sol- vants. '
Dans l'imprégnation par une résine thermo-plastique, on utilise habituellement une solution de résine dans le toluène ou un autre solvant organique. La résine préférée est un copolymère du styrène et de proportions mineures de butadiène (polystyrène à forte résistance au choc). Un polymère ternaire de styrène, de ni- trile acrylique et de butadiène peut également être utilisé. Et on peut encore utiliser du méthacrylate de.méthyle polymérisé.
Une des applications pratiques des principes opératoi- res de l'invention réside dans la préparation d'articles fibreux présentant des zones déterminées à résistance mécanique amoindrie.
Les carénages pour tubes de lance-fusées d'avions constituent un exemple de tels articles.
Habituellement, un lance-fusées comprend un logement extérieur pour une fusée, fixé à la face intérieure d'une aile d'avion. Le logement est habituellement de forme cylindrique mais il peut présenter une série de faces planes. Le logement du lance- fusées doit être pourvu de carénages de nez et de queue pour ré- duire la trainée et régulariser l'écoulement d'air autour du loge- ment. Ceci est particulièrement nécessaire dans les avions modernes à réaction, supersoniques.
Les carénages ainsi utilisés doivent présenter une structure suffisamment résistante pour résister aux pressions d'air considérables auxquelles ils sont soumis, et ils doivent également présenter les caractéristiques aérodynamiques requises..,
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Lorsque les fusées sont mises à feu de l'intérieur du lance-fusées, les carénages sont brisés, le carénage de nez par le passage de la fusée et le carénage de queue par le souffle ou les gaz d'échappement de la fusée. Les fragments résultant de la rup- ture des carénages ont provoqué des difficultés considérables et en particulier des dommages à différentes parties de l'avion.
Des fragments de grande dimension provenant de la rupture du carénage de nez provoquent des dommages aux enveloppes des faces inférieu- res des ailes ; de même des fragments provenant du carénage de queue endamagent les stabilisateurs horizontaux de l'avion. Dans un mode particulier de mise en oeuvre, l'invention concerne un procédé pour préparer des carénages de nez et de queue qui pré- sentent les propriété': de structure et d'aérodynamisme souhaitées mais qui se brisent sans provoquer de dommages à l'avion.
La Fig. 6 du dessin annexé illustre un carénage coni- que de nez 30 et un carénage conique de queue 31, qui sont montés respectivement sur les ouvertures avant et arrière d'un tube de fusée creux 32 (représenté en partie) du type utilisé comme 10- gement pour le transport des fusées et lus dispositifs lance-fu- sées sur les avions de l'armée etde la marine.
La forme particlière des carénages dépend des facteurs aérodynamiques et structures respectifs. Du point de vue aérody- namique, on préfère la fe ogivale. Cependant, du point de vue de la résistance, une forme prochant de la forme sphérique présen- te plus d'avantages. Plus s approche de la forme sphérique, plus le cône est résistant et plus on peut diminuer l'épaisseur des pa- rois, et par conséquent diminuer le poids total de matière fragile*
Un autre avantage des formes se rapprochant des formes sphériques réside en ce que les proportions de surface cassante exposées sont plus faibles, ce qui permet de diminuer encore le poids total de matière cassante.
Dans un mode de réalisation préféré, le carénage présente une forme ellipsoïdale, qui représente le compromit) opti- mal entre les considérations d'aérodynamisme et de 'résistance.
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On préfère.mouler le carénage en fibres de cellulose de bois imprégnées de résine. Cependant, on peut utiliser une matière quelconque appropriée au moulage. La structure moulée est de préférence préparée par agglomération de fibres à partir d'une dispersion aqueuse desdites fibres, sur un tamis ou un moule poreux présentant la forme voulue. L'article préformé mou- lé est ensuite retiré du tamis ou du moule et séché entre le poinçon et la matrice chauffés d'un moule adapté à la forme de la pièce moulée, avec des cannelures dans le poinçon pour pro- voquer la formation de lignes à densité de fibres plus faible.
Le tracé de rupture recherché se retrouve dans le carénage moulé sous la forme d'une coquille en fibres à parois minces présentant un réseau systématique d'emplacements à résis- tance structurelle amoindrie. Plus précisément, la paroi inté- rieure du carénage est proéminente dans certaines zones. Il en résulte une répartition de zones à parois relativement épaisses et à parois relativement minces dans le carénage dont la surface extérieure est toujours lisse pour des raisons d'aérodynamisme.
Les zones les plus minces présentent de préférence une densité de fibres relativement forte et inversement les zo- nes épaisses ont de préférence une densité de fibres relativement faible. Ainsi donc, par suite de la répartition particulière des fibres dans le carénage, ce dernier a 'tendance à se rompre aux points faibles, à densité de fibres relativement basse.
Cette prédisposition à la rupture dans certaines zones est accentuée par l'imprégnation des fibres à l'aide d'une résine durcissable qui, à l'état durci, est relativement cassante. En rai- son de la densité relativement faible dans les zones épaisses, il existe un excès de résine dans ces zones et il s'établit des ligne. de rupture dues à la fragilité provoquée par la présence des quan- tités relativement fortes de résine cassante.
L'épaisseur de paroi du carénage de fibres moulé varie
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selon les exigences de structure de la forme physique particulière du carénage. Dans les zones minces, ces dernières ont couramment une épaisseur d'environ 1,5 à 1,8 mm. L'épaisseur maximale est d'environ 2,3 à 3,0 mm.
Il est souhaitable que le carénage se rompe en frag- ments aussi petits que possible. Presque tous les dommages aux enveloppes extérieures sont provoqués par des fragments de grande dimension et il est donc préférable que les morceauxformés à la rupture soient aussi petits que possible, c'est-à-dire présentent un poids de l'ordro de quelques grammes. Par conséquent, les zones à faible résistance structurelle doivent être disposées de manière telle que les fragments présentent couramment des poids de quelques grammes seulement.
Une structure préférée pour les carénages de nez et de @ queue est illustrée à la Fig. 6 du dessin annexé. Le carénage de nez 30 est moule en une pièce, en fibres, et présente une surface externe lisse 33. La surface interne présente un réseau crotté de nervures circulaires 34 et de nervures axiales 35. On a donc ainsi formé un tracé présentant la forme d'une grille de Carrés de fibres d'environ 5 cm de côté avec une épaisseur de paroi d'environ 1,5 mm.
Les cannelures circulaires ont une largeur d'environ 6,3 mm et une épaisseur de paroi d'environ 3 mm.
Le carénage coniquo de queue 31 est construit en 3 pièces qui comprennent une coquille 36 et des sections creuset 37 et 38 dont les parois ont de préférence une épaisseur d'environ 1,5 à 1,8 mm. Le réseau croisé de nervures 34 et 35 n'existe,que sur la surface interne do la coquille 36. La coquille 36 et les sections
37 et 38 sont assemblées au joint de chevauchement 39. En pratique, le souffle arrière provoqué par la mise à feu des premières fusées provoque l'éclatement de la coquille 36 en petits fragments.
Mais les sections 37 et 38 restent fixées au lance-fusées et dirigent les gaz d'échappement et les débris suivant une traject ire linére
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plutôt que radiale, ce qui diminue les risques de dommages à l'avion.
On peut provoquer une modification dans le comportement à la rupture des carénages par une double imprégnation aux résines; ,
Ainsi par exemple, la partie de nez A peut être imprégnée d'une ré- sine phénolique cassante et les zones nervurées de la partie A sont alors extrêmement cassantes. Les fibres de la partie B sont impré- gnées par une solution de polystyrène de sorte que les zones ner- vurées de la partie B sont beaucoup moins cassantes que selles de la partie A.
Comme résines d'imprégnation qui conviennent pour la partie A, on citera par exemple les résines thermodurcissables phénol-formaldéhyde et mélamine-formaldéhyde (par exemple une so- lution à 30 % en poids de phénol-formaldéhyde, telle que le pro- duit du commerce Le Bee LP-90) dans l'isopropanol. On peut égale- ment utiliser la résine phénol-formaldéhyde Résinox 594, à es % en poids dans un mélange eau-alcool, dilué à 30 % en poids à l'aide @ d'éthanol, de 2-butanone ou d'associations de ces solvants.
Dans l'imprégnation par polystyrène de la partie B, on;)',:: utilise couramment une solution de résine à 14 % dans le toluène.
La résine préférée à l'emploi est un copolymère du styrène et de @ proportions mineures de butadiène (polystyrène à haute résistance au choc). On peut également utiliser un polymère ternaire de sty- rêne, de nitrile acrylique et de butadiène. On pourra également utiliser du méthacrylate de méthyle polymérisé.
La mise à feu des fusées à partir du logement de @ lance-fusées à fusées multiples provoque une décapitation immédiate' de la partie A. Mais la partie B est détruite par le souffle de la fusée qui part du lance-fusées. La fragmentation de la partie A en les petits morceaux souhaités peut être attribuée aux deux caracté- ristiques de l'invention. La première de ces caractéristiques est l'existence des lignes de rupture établies par les régions à den- sité de fibre variable.
La seconde est la présence de la résine
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cassante qui provoque une très grande fragilité de l'article moulé le long des lignes da rupture établies et accentue la tendance à la rupture Le Ion:; des lignes de densités de fibres différentes en raison d sa plus forte concentration dans les régions à densité de fibres plus basse.
Les Fig. 7, 8 et 8A du dessin annexé illustrent le
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poinçon et la ;aatri,2a en'<; lesquels on réalise la surface interna nervurée des cônes de carénage décrits ci-dessus et la formation. conséquente de zones ou de lignes à densité de fibres
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plus faible dù;15 .i. artiste préformé moulé en fibres disposé dans l'espace compris en 1'12 ..: r:)l'1\on et la matrice. La matrice pré- sente une paroi 1ntùrne 4 sse de forme ellipsoïdale.
Elle est entourée par un ;{l:::(,a1' 2 corsant avec elle une zone de chauffage annulaire 43. Un on plusieursconduits de gaz 44, reliés à un
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distributeur annulaire 45 zlittndant autour de l'intérieur* d'une des extrémités du cylindre 42, fournit un gaz combustible au
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brûleur 45. La flaame 46 du brûleur 45 est projetée contre le flasque 47, et les gaz çhiJud,,> passent au travers de la cône de chauffage 43 vers 1 ouverture annulaire 48 et chauffent la. ma% 1- ce 40.
Le poinçon 50 présente une surface externe ellipsoïdale
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de forme correspondante pr contant un entrelacs de cannelures axiales divergentes J2 et .c cannelures circonferentlelles 33. Ces cannelures permettent une expansion de l'article préformé fibreux
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moulé et la formation des nervures décrites ci-dessus sur 1.. surfa- ce interne des cônes de nez et de queue. Le poinçon 50 est chauffé par un brûleur 54 cn disposition centrale constitua d'une pièce creuse 55 dans laquelle on envoie un gaz combustible par
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un oo'duit 56. La pièce creuse 55 préseI....e un ou plusieurs brûleurs 57 mortes dans sa paroi et qui fournissent les flammes nécf4saires au cr.,uffaga du poinçon.
Le. pointe.:, et la matrice sont mobiles l'un par rapport à l'être. Cependant; le poinçon est de préférence fixe; et la
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matrice mobile, en direction axiale sur le poinçon . Un flasque 58 du poinçon est monté sur une chambre à vide 59. Les flasques de poinçon et de matrice 47 et 58 sont séparés par un joint 60 en laiton ou en autre matériau approprié, permettant un espa- cernent correct entre eux et conférant l'étanchéité nécessaire à la réalisation d'une aspiration entre eux. Le poinçon présente un certain nombre de cannelures de drainage 61 qui s'étendent du sommet à la base et se vident dans un espace circonférentiel 62 relié par des passages 63 à l'espace 4 vide 64.
Ce dernier est relié à des dispositifs d'aspiration appropriés, par exemple une pompe à vide non représentée. Les cannelures 61 août de petite* @ dimensions et présentant habituellement une profondeur d'environ 1,5 mm et une largeur d'environ 1 à 1,5 mm. Les cannelures 52 sont plus larges et plus profondes et par exemple elles ont une largeur égale à la moitié de.l'épaisseur de la pièce de 3 à 6 mm.
Un exemple type de composition fibreuse pour la préparation, des articles préformés conformément a l'inventif con- siste on 70% de fibres de cellulose au sulfate, 23% de fibres de cellulose mécanique (bois déchiqueté) et 7% d'autres fibres de cellulose mécanique ( bois broyé) aveuune résine mélamine-formal- déhyde en quantité de 1,8% du poids de fibre sèche.
Pour l'imprégnation, l'article peut être immergé dans une composition liquide composée de 30% de résine phénol- formaldéhyde dans 70% d'alcool isopropylique à titre de solvant pendant un minimum de 60 secondes. L'article imprégné peut être chauffé à 71 C pendant 15 minutes pour chasser le solvant, et la résine peut être ensuite durcie par maintien de l'article dans une étuve à 177 C pendant 20 minutes.
Pour l'imprégnation par polystyrène, la composition liquide peut être composée de 450 g de résine de polystyrène dissou- te dans 3,8 1 de toluène... ,
A titre de nouvel exemple on décrit ci-après une imprégnation des carénages coniques de nez et de queue, 30 et
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31, de la fig. 6. Le bain d'imprégnation phénolique comprend deux volumes d'une solution de résine phénol-formaldéhyde modifiée à 60% environ dans l'alcool isopropylique et 3 parties en volume d'alcool isopropylique. Le bain doit présenter à l'aréomètre Baumé une lecture d'environ 21,0 C et contient environ 30% de résine phénol-formaldéhyde.
La solution de résine phénol- formaldéhyde modifiée à 60% dans l'alcool isopropylique utilisée Ci-dessus est vendue dans le commerce sous la marque CR4O2 par la firme Catalin Corporation of America.
On prépare deux bains d'imprégnation au polystyrène par dissolution du polystyrène PS 330 de la firme Dow Chemical Company dans du solvant SC-Solvent 1-75 V, un mélange d'hydrocar- bures aromatiques, paphténiques et paraffiniques vendu par la firme Central Solvents & Chemical Company. La concentration du premier bain d'immersion est de 22,7 kg du polystyrène pour
152 1 du solvant mais lorsque la résine est entièrement dissoute , on ajoute encore 38 1 du solvant pour parvenir à une concentra- tion de 120 g de polystyrène par litre de solvant. La lecture de l'aréomètre Baumé est d'environ 38,2 . A 15,6 C, il contient environ 13,0 % de matières solides de polystyrène.
Le second bain d'imprégnation de polystyrène pour la seconde immersion est pré- paré de manière similaire et avec les mêmes composants mais à la concentration de 0,72 kg de polystyrène pour 10 1 de solvant,
Il Contient environ 8,2% de polystyrène.
Les cônes de nez 30 sont plongés dans le bain d'impré- gnation phénolique dans lequel on leur imprime un mouvement de rotation pour assurer une imprégnation uniforme. Au bout d'un court moment, on retire les cônes imprégnés et on les laisse égoutter. Le cône de nez doit être plongé dans le bain pendant au moins 1 minute environ, de préférence pendant pas plu= de 2 minutes. Les cônes de nez sont séchés à l'air , s durcis à
204 C pendant 20 minutes.
Le bain d'imprégnation doit donner à l'aréomètre Baumé une lecture comprise entre 20,6 et 21,40*
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t' . ,,':: j: Pour l'imprégnation par le pOlystyrène, 'les parties ; à imprégner par la résine de polystyrène sont plongées pendante au moins une minute, de préférence pas plus de 2 minutes dans ' le premier bain d'imprégnation décrit ci-dessus. On les retire,: on les laisse égoutter, on les sèche à l'air. On plonge ensuite les parties séchées à l'air, pendant un court moment dans le second bain d'imprégnation décrit ci-dessus, on les égoutte à @ nouveau et on les sèche à l'air.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée.aux modes de mise en oeuvre représentés et décrits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples.