CA1084194A - Procede pour la realisation d'alliages de polymeres thermoplastiques - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé pour la réalisation d'alliages de polymère? thermoplastiques, caractérisé en ce qu'il consiste substantiellement à réduire au moins deux polymères dits incompatibles à l'état de granulés, respectivement de copeaux; à les mél?nger; à amener le mélange ainsi obtenu, de façon rapide et continue, à l'état liquide par des efforts de cisaillement tout en le dispersant finement; et à figer le produit résultant, dans son état dispersé, sous une forme désirée, le temps total de maintien à l'état liquide dudit mélange étant inférieur à 15 secondes. L'invention concerne également tous alliages obtenus par l'application de ce procédé.

Description

La présente i~vention concerne un procédé pour la réali-sation d'alliages de polymères réputés incompatibles, présentant né~nmoins des propriétés mécaniques fort proches de celles des matières plastiques vierges utilisées 3 des fins industrielles.
On a déj~ proposé de ~abriquer certains alliages de polymères de m8mesfamilles ou de familles très voisines, dan~ le but d'agir sur le prix de revient des produits finis ou encore d'améliorer certaines propriétés de composants purs.
Quant 3 la possibilité de réaliser des alliages 3 partir de polymères de familles différentes, il a été montré qu'elle était inexistante en pratique, les produits obtenus présentant des pro-priétés mécaniques par trop médiocres en raison de l'absence d'ad-hésion aux interfaces. On a donc proposé de recourir 3 des modifi-cations de la composition du mélange ou 3 l'introduction d'additifs de compatibilisation. Ces mesures sont toutefois peu favorables une production industrielle économique.
Malheureusement, les trois polymères les plus utilisés dans la pratique, c.-3-d. le PVC, le PE et le PS sont ~ considérer comme incompatibles (voir ~ ce sujet Jrnl. Appl. Polym. Eng. & Sc.:
1973, vol. 17, pp 2791~2800; Polym. Eng. & Sc. : 1973, vol. 13, n 4, pp 308-318; 1972, vol. 12, n 3, pp 157-166; 1973, vol. 13, n 3, pp 202-208).
Ces trois polymères se retrouvent également en quantités importantes dans les déchets industriels et urbains qu'il serait in-téressant de réutiliser sans présélection.
Il faut remarquer ici que l'on a déj~ proposé (voir le brevet fran~ais n~ 2.191.984) de réutiliser les polymères provenant desdits d~chets, après les avoir soumis ~ une série d'opérations les amenant entre autres, 3 l'état de poudre, en les plastifiant dans une extrudeuse classique. Le produit final obtenu présente une tex-ture tout à fait hétérogène, étant simultanément alvéolaire et fi-breuse avec répartition irrégulière des fibres, donc très différente

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de celle d'une résine ~ l'état pur.
La présente invention apporte une solution particuliè-rement satisfaisante au problème de la réalisation d'alliages partir de polymères dits incompatibles.
A cet effet, un procédé est proposé lequel consiste substantiellement ~ réduire au moins deux polymères dits incom-patibles ~ l'état de granulés, respectivement de copeaux; ~ les mélanger; ~ amener le mélange ainsi obtenu, de façon rapide et continue, à l'état liquide par des efforts de cisaillement tout en le dispersant finement; et à figer le produit résultant dans son état dispersé, sous une forme désirée, le temps total de main-tien 3 l'état liquide dudit mélange étant inférieur à 15 secondes.
Les alliages ainsi obtenus, présentant une phase dis-persée et une phase continue ou matrice, se caractérisent par une très fine dispersion dans la matrice et une excellente liaison entre les particules et la phase continue, ce qui garantit de très bonnes qualités mécaniques.
Un dispositif particulièrement adéquat pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention consiste en un plastificateur constitué d'un fourreau cannelé dans lequel tourne un vis courte terminée à l'avant par un cylindre lisse dont la face frontale plane est situ~e face 3 l'extrémité fixe du fourreau et ~ courte distance de cette dernière. L'espace délimité par la face fron-tale et l'extrémité fixe constitue une zone de cisaillement. Une barrière thermique est prévue entre la vis et ledit cylindre lisse.
Un plastificateur de ce type est par exemple décrit dans les bre-vets belges n 753.152 et n 765.763 du même déposant.
Un t~l plastificateur, pour permettre la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, doit obligatoirement être conditionné
pour présenter simultanément les caractéristiques morphologiques et/ou de fonctionnement suivantes :
1. Présenter des gorges de vis profondes en vue d'accepter .
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des granulés, qui, suivant les matières ou le broyage, peuvent présenter des formes et dimensions non-uniformes ainsi qu'éven-tuellement des restes divers contenus dans les déchets tels qu'étiquettes, résidus de capsules métalliques etc.
2. Afin d'assurer une pression constante et élevée, celle-ci doit inévitablement se réaliser sur matière solide et non sur matière liquide comme c'est le cas dans l'extrudeuse traditionnelle où la pression engendrée est dépendante des varia-tions de viscosité à l'état fluide et où les différences dans la composition de la matière liquide provoqueraient des fluctua-tions de pression. Afin d'assurer une longueur constante de zone de pression, celle-ci doit être séparée de la zone de plastifica-tion par un bouclier thermique.

3. Le fourreau doit être muni de cannelures afin d'évi-ter la rotation de la matiare solide avec la vis et d'assurer une haute pression sur matière solide.

4. La zone de pression, c.-~-d. la vis, où la matière est solide doit être courte afin d'éviter une liquéfaction préma-turée. Le rapport longueur/diamètre de la vis sera dès lors de l'ordre de 4/1 ~ 6/1.

5. Contenir une zone de pré-plastification cylindrique et une zone de cisaillement ~ disque obligeant la matière ~ un changement de direction à angle droit et provoquant un intense échauffement interne tout en effectuant un mélange très dispersé
dans la zone de cisaillement.

6. Cette machine étant adiabatique et la composition du mélange n'étant pas homogène, il est indispensable que chaque particule engendre, au sein même de la matière, la quantité de chaleur nécessaire à la fusion de la par*icule considérée, cette quantité de chaleur étant déterminée localement et automatiquement en fonction des caractéristiques physiques de la matière à l'en-droit considéré. La quantité de chaleur engendrée à chaque endroit . ~

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diminue en rapport avec la viscosité décroi~sante, les particules plus visqueuses 3 une température donnée recevant par cisaillement et friction plus de chaleur que les parties plus fluides établis-sant ainsi automatiquement l'homogénéité thermique nécessaire 3 l'extrusion.

7. Posséder un séjour extrêmement court (inférieur à
15 sec., par exemple de l'ordre de 5 sec.~ de la matière 3 l'état fondu afin d'éviter au maximum toute sollicitation thermique. Ces sollicitations peuvent être importantes dans la formation d'allia-ges pour trois raisons : la température d'extrusion s'oriente vers la température de la matière du mélange qui a la plus haute tempé-rature de ramolissement; le mélange contient souvent des matières de récupération ayant une histoire thermique déj3 chargée; les mé-langes de récupération contiennent souvent du PVC, matière recon-nue facilement dégradable ~ des températures inférieures à celles que nécessitent certains autres composants du mélange.
Un plastificateur ainsi conditionné permet de donner aux matières constitutives du mélange l'énergie thermodynamique-ment nécessaire à la réalisation d'une dispersion fine avec un minimum de sollicitations thermiques, puis de figer cette matière dans un état métastable cinétiquement bloqué.
A titre purement illustratif, deux exemples de mise en oeuvre de l'invention sont décrits ci-après :
EXEMPLE 1.
Des alliages binaires ont été préparés à partir de mé-langes de deux polymères homogénéisés pendant 15 minutes. Le mé-lange a ensuite été extrudé ~ l'aide d'un plastificateur a vis courte équipé d'une filière plate. La vitesse de rotation de la vis a éte maintenue ~ 150 tours/minute tandis que la température dans l'entrefer (distance entre plateaux : 1,7 mm) atteignait 200.
Les deux polymeres utilisés présentaient les caractéristiques sui-vantes :

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..
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1~841~4 Melt index Densite Température (suivant DIN (suivant DIN de ramollis-53755) 53479) sement Polyéthylène 0,3 g/10 min. 0,922 g/cm3 109 (suivant DIN 53480) Polystyrène choc 2,2 1,05 90 (suivant méthode.
Des eprouvettes (suivant ASTM D412-68) ont été prélevées des bandes et soumises ~ des essais de traction à une vitesse de 0,5 cm/min. La température du laboratoire était de 23 + 1 tandis que l'humidité relative était maintenue à 60 + 5 %. Les résultats , obtenus sont rassemblés dans le tableau suivant. Les résultats in-diqués sont les moyennes de 10 essais. La dispersion observée au-tour des moyennes était faible, indiquant par 1~ une bonne homogé-néité des alliages obtenus.
Composition du mélange en % R E A
Polythylène Polystyrène 100 0 1,4422,9 ~39,5 0,7425,2 19,53 0,5943,0 8,09 0,6768,4 4,57 0,8288,1 4,40 0 100 1,86138,834,60 - R représente la charge de rupture en kg/mm2 - E est le module d'élasticité en kg/mm2 - A symbolise l'allongement à la rupture en %.
EXEMPLE 2.
Des déchets de matières plastiques prélevés dans une dé-charge municipale ont été receuillis, broyés, homogénéisés, lavés et séchés. Le mélange obtenu était composé de 60 % de polyéthylène, de 20 % de chlorure de polyvinyl et de 10 ~ de polystyrène 7 le reste étant constitué de différents thermoplastiques. Le melange a été extrudé à l'aide d'un plastificateur à vis courte équipé
d'une filière cylindrique et le jonc extrudé fut ensuite granulé.

'"': ' -", ' . ~ , ~084~94 L'alliage ainsi préparé fut ensuite injecté à l'aide d'une machine traditionnelle, dans un moule permettant d'obtenir un flasque de 40 cm de diamètre. Les pièces élaborées de la sorte présentaient un aspect tout à fait satisfaisant; leurs caractéristiques méca-niques sont rasse~blées dans le tableau suivant :
Charge de rupture à la traction : 2~0 kg/mm2 Module d'élasticité : 102 kg/mm2 Allongement à la rupture : 6,1 ~.
L'invention s'étend également, à titre de produit in-dustriel nouveau, à tout alliage de polymères thermoplastiques obtenu par le procédé susdécrit.
Ce que je revendique être mon invention et désire protéger par Brevet d'Invention est :

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Claims (4)

REVENDICATIONS.

1.- Procédé pour la réalisation d'alliages de polymères thermoplastiques, caractérisé en ce qu'il consiste substantielle-ment à réduire au moins deux polymères dits incompatibles à l'é-tat de granulés, respectivement de copeaux; à les mélanger; 3 amener le mélange ainsi obtenu, de façon rapide et continue, à
l'état liquide par des efforts de cisaillement tout en le disper-sant finement; et à figer le produit résultant,dans son état dispersé, sous une forme désirée, le temps total de maintien à l'état liquide dudit mélange étant inférieur à 15 secondes.

2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit mélange est envoyé dans un plastificateur à vis courte, ce mélange étant amené à haute pression mais toujours à l'état solide, dans une zone de cisaillement où il est amené à l'état li-quide uniquement par des efforts de cisaillement tandis qu'il y est simultanément dispersé.

3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par les phases successives suivantes :
- on broie grossièrement et simultanément diverses ma-tières plastiques solides;
- on introduit en mélange les particules de matière plastique résultant du broyage dans un plastificateur à vis courte;
- on comprime fortement dans la zone d'alimentation du plastificateur le mélange de particules de matières solides en maintenant ce mélange de particules à des températures empêchant toute plastification;
- on introduit sous les fortes pressions de la zone d'alimentation le mélange dans une zone de plastifi-cation et d'homogénéisation extrêmement courte;
- on transforme adiabatiquement la matière solide en matière liquide par le seul moyen de la chaleur en-gendrée au sein de chaque particule par les forces de cisaillement auxquelles elles sont soumises;
- on limite automatiquement la chaleur engendrée dans chaque particule à la chaleur juste nécessaire à la fusion de la particule utilisant la diminution de viscosité;
- on réalise un mélange homogène des diverses matières fondues sous l'effet du vortex engendré dans le plastificateur à
disque proprement dit;
- on limite la dégradation thermique subie par la matière fondue en limitant le temps de séjour à l'état fondu à un temps inférieur à 10 secondes grâce au maintien de la matière à l'état solide dans toute la zone d'alimentation;
- on procède à la mise en forme soit au moyen d'une filière, soit par injection dans un moule.

4. Alliage de polymères thermoplastiques obtenu par un procédé selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il présente une phase dispersée et une phase continue ou matrice, une très fine dispersion de particules dans la matrice et une excellente liaison entre les particules et la phase continue.