FR2586965A1 - Vis et procede d'extrusion de matieres plastiques - Google Patents

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE UNE VIS D'EXTRUSION. ELLE SE RAPPORTE A UNE VIS D'EXTRUSION QUI COMPORTE UN TRONCON D'ALIMENTATION 2, UN TRONCON DE COMPRESSION 3, ET UN TRONCON DE DOSAGE 4. CE TRONCON DE COMPRESSION COMPORTE DEUX PARTIES DE TRANSITION 7, 12 ET UNE PARTIE A SPIRE BARRIERE 8 ENTRE LES PARTIES DE TRANSITION. CETTE SPIRE BARRIERE 10 A UN PAS SUPERIEUR A CELUI DE LA SPIRE PRINCIPALE 9. LA CONSOMMATION D'ENERGIE ET LA TEMPERATURE DE LA MATIERE THERMOPLASTIQUE SONT REDUITES LORS DE L'EXTRUSION DE POLYETHYLENE LINEAIRE. APPLICATION A L'EXTRUSION DE FILMS DE POLYETHYLENE LINEAIRE BASSE DENSITE.

Description

La présente invention concerne le domaine des
extrudeuses des polymères et en particulier une vis perfec-
tionnée d'extrudeuse.
La popularité du film de polyéthylène linéaire basse densité repose essentiellement sur son coût rela- tivement faible et ses bonnes propriétés mécaniques, par exemple sa bonne résistance à la déchirure, sa bonne résistance à la perforation, sa bonne résistance à la
traction et sa bonne résistance à la fissuration sous con-
trainte dans diverses conditions. La croissance de l'utili-
sation de la résine de polyéthylène linéaire basse densité est due essentiellement au remplacement des résines de
polyoléfine et du polyéthylène basse densité en particu-
lier. La transformation des. chaînes d'extrusion de polyéthylène basse densité en chaînes d'extrusion de polyéthylène linéaire basse densité n'est pas une opération facile. Les vis destinées au polyéthylène basse densité,
lorsqu'elles sont utilisées pour l'extrusion du polyéthy-
lène linéaire basse densité, nécessitent un couple et une puissance supérieurs à ceux qui sont disponibles à la sortie de la plupart des ensembles d'entraînement
des extrudeuses de fabrication de filmssoufflésde polyéthy-
lène basse densité. Ceci nécessite une modification des dispositifs d'entraînement des extrudeuses de polyéthylène basse densité ou le montage d'un dispositif d'entraînement
plus puissant. Les extrudeuses ayant un dispositif d'entrai-
nement modifié ou changé ont tendance à donner des tempéra-
tures à l'état fondu bien supérieures à celles qui sont souhaitables pour le soufflage des films. Ceci est dû à la différence de comportement rhéologique au cisaillement du polyéthylène linéaire par rapport au polyéthylene basse densité normal. Le polyéthylène basse densité linéaire est plus visqueux dans la gamme des gradients de vitesse de l'extrudeuse que le polyéthylène normal. En conséquence,
l'extrusion nécessite une plus grande quantité d'énergie.
Celle-ci se manifeste par une augmentation du dégagement
de chaleur qui accroît la température.
L'invention concerne une vis permettant la fusion de toutes les matières plastiques à une température plus faible et mieux réglée, avec une pression plus uniforme et en consommant moins d'énergie que lors de l'utilisation d'une vis classique. Les extrudeuses actuellement utilisées pour le polyéthylène basse densité ont une ouverture allongée à une première extrémité d'un corps qui peut être chauffé
ou refroidi à des emplacements spécifiés suivant sa lon-
gueur. Une vis d'extrudeuse est logée dans le corps et est disposée sur la longueur de celui-ci. La vis a une spire ou ailette hélicoïdale à sa surface, cette spire étant ajustée par rapport à la surface cylindrique du corps. La vis est entraînée en rotation autour de son axe afin qu'elle travaille la matière plastique et la chasse
vers l'extrémité de sortie de l'extrudeuse.
Une vis d'extrudeuse comporte habituellement plu-
sieurs tronçons, par exemple un tronçon de dosage, un tronçon d'alimentation et un tronçon de transition. Le tronçon d'alimentation est habituellement disposé au-dessous de l'ouverture formée dans la trémie et qui transmet le polymère à extruder dans l'appareil d'extrusion. Le tronçon d'alimentation pénètre normalement dans le corps de l'extrudeuse. Le diamètre de la vis ou "racine" formée dans le tronçon d'alimentation est habituellement le
plus petit de la vis. De cette manière, le tronçon d'alimen-
tation peut introduire de grande quantité de poudre ou de granulés du polymère dans l'extrudeuse si bien que le polymère peut être comprimé dans les parties avant de la vis. Cet excès de remplissage est souhaitable car l'extrudeuse a des caractéristiques optimales lorsque l'espace compris entre deux spires adjacentes est totalement
rempli du matériau, avec un nombre minimal de cavités.
Dans une vis courante d'extrudeuse, il existe un
tronçon de transition après le tronçon d'alimentation.
Dans le tronçon de transition la racine ou le fond augmente
puis diminue le volume de l'espace disponible pour le poly-
mère et provoque donc sa compression.
Le tronçon de transition est suivi d'un tronçon de dosage de racine constante. Une grande partie de la
fusion du polymère et de l'application de force de cisail-
lement est effectuée dans le tronçon de transition lorsque
le polymère se déplace sur la longueur de la vis.
Cette opération de cisaillement du matériau lorsqu'il se déplace le long de la vis, dans le corps, provoque de façon générale l'échauffement et la fusion du polymère. La plus grande partie de la fusion s'effectue à la surface du corps. Lorsque le polymère fond et lorsque la spire se trouvant derrière le polymère avance, le polymère fondu s'écoule le long de la face de la spire, en avant le long de la racine de la vis et remonte vers le dos de la spire antérieure. Ceci provoque parfois la formation d'une poche de polymère solide encapsulée dans la mare de polymère fondu qui s'écoule autour du périmètre formé par les deux spires adjacentes, la surface de la
vis et la surface du corps.
La vis d'extrusion de type classique à tronçon d'alimentation, de transition et de dosage a été réalisée
pour l'extrusion générale de toutes les matières thermoplas-
tiques. Cependant, lorsque le même type de vis d'extrusion est utilisé, avec le poly éthylène linéaire basse densité, la consommation d'énergie et la température de sortie augmentent alors que le débit maximal ou rendement maximal diminue. Une vis a déjà été réalisée avec deux tronçons de transition et deux tronçons de dosage afin que les caractéristiques de l'extrudeuse soient améliorées sans que le dispositif d'entraînement soit modifié. Le brevet
des Etats-Unis d'Amérique n 4 357 291 décrit une telle vis.
Celle-ci comporte un tronçon de compression et un tronçon de dosage séparés, mais n'assure pas une fusion parfaite et complète car des poches de matières solides peuvent
être encapsulées.
On a déjà proposé une vis d'extrudeuse ayant un tronçon à spire barrière. La spire barrière facilite le processus d'extrusion par séparation de la matière fondue de celle qui est solide. La matière solide peut ainsi être
malaxée et chauffée afin qu'elle fonde.
La vis d'extrudeuse et le procédé selon l'inven-
tion met en oeuvre un tronçon de compression qui assure la séparation de la partie fondue et de la partie solide du polymère. Simultanément, la vis selon l'invention réduit la consommation d'énergie de l'extrudeuse par rapport aux extrudeuses connues, avec un débit identique
ou supérieur.
La vis d'extrudeuse selon l'invention a un tronçon d'alimentation associé a un tronçon de compression à plusieurs étages, suivi d'un tronçon de dosage. Ce tronçon de compression a trois parties, deux parties de transition avec une partie ayant une spire barrière entre elles. La partie à spire barrière est formée en réalité de deux
spires, une spire principale et une spire barrière ou mo-
bile. La spire barrière commence dans la spire principale puis s'en sépare. Ensuite, elle est placée entre la spire principale et la spire qui se trouve en avant de la spire principale. La position de la spire barrière par rapport
aux deux spires qui l'entourent varie à différents empla-
cements le long de la vis. La position change et a pour effet de déplacer la spire en avant par rapport à la spire principale, jusqu'à ce qu'elle se raccorde à la
spire avant et se confonde avec celle-ci.
La spire barrière n'est pas aussi haute que la spire principale et en conséquence il reste un espace entre le corps et la spire barrière. La matière fondue s'écoule vers l'arrière au-dessus de la spire barrière en laissant les matières solides entre la spire barrière et la spire avant. La matière fondue est ainsi séparée des matières solides et les matières solides ne peuvent pas être encapsulées. La spire barrière assure aussi la compression des matières solides même lorsque, dans un mode de réalisation, le diamètre de la racine de la
vis dans le tronçon à spire barrière diminue en réalité.
Ceci assurerla séparation de la matière fondue des matières solides et élimine les cavités indésirables formées dans les matières solides qui peuvent empêcher un malaxage convenable de celles-ci. De cette manière, le mélange est meilleur et la fusion du polymère est plus rapide sans que la température de la matière fondue soit excessive et sans que la consommation d'énergie soit excessivement accrue.
D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-
tion ressortiront mieux de la description qui va suivre,
fait en référence aux dessins annexées sur lesquels: la figure 1 est une élévation latérale de la vis d'extrudeuse selon l'invention; la figure 2 représente la vis de la figure 1 avec des parties arrachées et à plus grande échelle;
la figure 3 est une élévation latérale d'une va-
riante de vis d'extrudeuse selon l'invention; la figure 4 est une élévation de la vis de la figure 3 avec des parties arrachées et à plus grande échelle; la figure 5 est un graphique représentant la variation de la température de la matière fondu en fonction de la pression, dans le cas d'une vis connue et d'une vis selon l'invention, à une vitesse de 40 tr/min; et la figure 6 est un graphique donnant la variation du rendement de la vis selon l'invention et d'une vis
connue, à 40 tr/min, en fonction de la pression appliquée.
La vis 1 selon l'invention a un corps ayant des diamètres de racine qui diffèrent comme représenté sur la figure 1, le corps de l'extrudeuse étant représenté schématiquement. La vis comporte globalement un tronçon 2 d'alimentation, un tronçon 3 de compression, un tronçon 4
de dosage et une tête 6 de mélange.
La vis 1 a une spire hélicoïdale 5. Cette spire a un pas constant et un diamètre externe constant. La
spire 5 aboutit à une tête 6 de mélange de tout type conve-
nable connue des hommes du métier. Dans le tronçon 2 d'ali-
mentation, le diamètre de la racine de la vis est le plus petit de tous les diamètres de la vis. Ceci forme une zone importante délimitée par le fond de la vis, deux spires
adjacentes et la surface interne du corps de l'extrudeuse.
Comme décrit précédemment, le tronçon d'alimentation 2 est destiné à recevoir de la poudre ou des granulés du polymère destinés à être extrudés. Lorsque le polymère s'écoule le long du tronçon 2 d'alimentation, il est
malaxé sous l'action des forces de frottement et de cisail-
lement étant donné les déplacements relatifs du polymère, de la vis et du corps de l'extrudeuse. Ce travail effectué dégage de la chaleur qui commence à ramollir et à- fondre
les matières solides.
Le polymère passe alors dans le tronçon 3 de compression de la vis. La première partie du tronçon de compression est la partie 7 de transition. Celle-ci a un diamètre variable de racine qui augmente dans le sens d'écoulement du polymère. La partie 7 de transition a une longueur qui correspond environ à un demi-tour ou plus de la spire. La racine a une dimension qui augmente si bien que le polymâre est légèrement comprimé lorsqu'il pénètre
dans une partie 8 formant une spire barrière.
La partie formant une spire barrière commence par une spire principale unique 9. Une seconde spire appelée spire barrière 10 se sépare de la spire principale
9 et est placée entre deux tours adjacents de la spire prin-
cipale 9. La spire barrière 10 a un diamètre externe légèrement inférieur à celui de la spire principale 9 et un pas différent. Le pas de la spire barrière provoque son déplacement plus loin le long de l'axe longitudinal de la vis, par tour de celle-ci, que la spire principale. Ceci permet à la matière fondue, c'est-à-dire au polymère qui a déjà fondu, de s'écouler par-dessus la spire barrière et d'être retenu dans l'espace placé derrière la spire barrière 10. Le pas de la spire barrière est tel que sa position entre les deux tours adjacents de la spire principale varie constamment vers la spire qui est la plus en avant. Ceci provoque un rétrécissement de l'espace contenant la quantité de matières solides alors que l'espace contenant la matière liquide augmente et sépare ainsi la matière fondue des matières solides et élimine les cavités des matières solides. De cette manière, la matière fondue s'écoule vers une position qui se trouve derrière la spire barrière et laisse les matières solides séparées et non encapsulées. Comme les matières solides ne sont pas encapsulées, elles sont malaxées de façon importante et la quantité de matière fondue qui s'écoule par-dessus la spire barrière dans l'espace 11 placé derrière la spire barrière 10 augmente ainsi. Lorsque du polymère solide est chassé par-dessus la spire barrière, sous forme solide, il peut subir des forces intenses de cisaillement dues au déplacement relatif de la spire barrière 10 et du corps de l'extrudeuse. De cette manière, tout le polymère est
fondu lorsqu'il atteint l'espace 11.
A l'extrémité du tronçon ayant la spire barrière, cette spire se raccorde à la spire principale, en avant de celle-ci, et l'espace 11 devient l'espace délimité en avant de la spire principale entre deux tours adjacents de la spire principale. Dans un mode de réalisation, le diamètre de la racine de la vis est constant sur toute la longueur du tronçon à spire barrière. Cependant, dans une variante (figures 3 et 4) le diamètre de la racine diminue en réalité et permet à la spire barrière de se déplacer plus rapidement suivant son trajet et ainsi de
transmettre la matière fondue sur une plus courte distance.
Le dernier tronçon, dans la partie de compression, est un second tronçon 12 de transition. Ce tronçon de
transition est analogue au premier tronçon 7 de transition.
Cependant, le diamètre variable de la racine, dans ce tronçon, augmente jusqu'à au diamètre final le plus gros de la vis. La vitesse d'augmentation du diamètre de la racine dans le second tronçon lZ de transition peut dépasser celle du premier tronçon 7 de transition. Ceci s'applique en particulier lors de l'utilisation de la variante de réalisation dans laquelle le diamètre de la racine diminue
en réalité le long du tronçon à spire barrière.
Le tronçon final est un tronçon de dosage 4 qui peut avoir un diamètre de racine constant ou légèrement croissant. La vis de l'extrudeuse aboutit à une tête
courante de mélange 6.
Dans un mode de réalisation préféré, la vis d'extrudeuse a un diamètre de 63,5 mm et un rapport longueur/ diamètre de 30/1. Elle est utilisée dans une extrudeuse courante ayant un dispositif d'entraînement en courant continu de 37,3 kW, pouvant atteindre une vitesse de tr/min. Le tronçon d'alimentation a une longueur de neuf spires, la première partie de transition a une longueur de trois spires, la partie à spire barrière a une longueur de sept spires, la spire barrière elle-même n'ayant que six spires, la seconde partie de transition a une longueur de deux spires, le tronçon de dosage a une longueur de sept spires et la tête de mélange a une longueur de deux spires. Dans une variante, les vis peuvent avoir un rapport longueur/diamètre de 24/1. Dans ce cas, le tronçon d'alimentation a une longueur de neuf spires, la première partie de transition une longueur de deux spires, la partie barrière une longueur de cinq spires, avec seulement quatre -spre- barrire-s --la seconde partie de transition a une longueur de deux spires, le tronçon de dosage a une longueur de 4,5 spires, et la tête de mélange a une longueur
de 1,5 spire.
Dans ces deux exemples, le nombre de spires barrières est inférieur au nombre de spires principales dans la partie à spire barrière. Ceci est dû au fait que la spire barrière a un pas plus élevé que celui de la spire principale et en conséquence correspond à une plus
grande longueur de vis par tour.
Les figures 5 et 6 permettent la comparaison des températures de fusion et des rendements d'une vis à une seule barrière de transition (vis A) et de la vis selon l'invention (vis B), lors d'extrusion de polyéthylène linéaire basse densité à 40 tr/min. Comme l'indique la figure 5, une réduction moyenne de la température de sortie de 17 C est obtenue avec la vis selon l'invention par rapport à la vis connue. Ceci indique une plus faible perte d'énergie dissipée dans l'extrudeuse sous forme de chaleur en excès. La figure 6 indique que le rendement de la vis selon l'invention (5,68 kg/h.kW) est supérieur de
12 % environ à celui de la vis connue (5,07 kg/h.kW).

Claims (11)

REVENDICATIONS
1. Vis d'extrudeuse ayant une spire hélicoïdale de diamètre externe prédéterminé, destinée à l'extrusion
des matières plastiques, caractérisée en ce qu'elle com-
prend: (a) un tronçon d'alimentation (2) ayant un diamètre constant à la racine de la vis, (b) un tronçon de compression (3) qui comporte: (i) une première partie de transition (7) qui suit immédiatement le tronçon d'alimentation et dans lequel le diamètre de la racine de la vis augmente vers la sortie de l'extrudeuse, (ii) une partie à spire barrière (8) suivant
immédiatement le premier tronçon de transition et dans la-
quelle la spire se divise en une première spire principale (9) et une seconde spire barrière (10) si bien que la matière revient par-dessus la spire barrière, et (iii) une seconde partie de transition (12)
suivant le tronçon à spire barrière et dans laquelle:le dia-
mètre de la racine de la vis augmente vers la- sortie de l'extrudeuse, et (c) un tronçon de dosage (4) qui suit immédiatement le tronçon de compression et qui a un diamètre constant
de racine de la vis.
2. Vis selon la revendication 1, caractérisée en ce que la spire barrière (10) a un diamètre externe
inférieur au diamètre prédéterminé de la spire principale.
3. Vis selon la revendication 2, caractérisée en ce que la première partie de transition (7) et la seconde partie de transition (12) ont un diamètre qui augmente
avec des vitesses égales.
4. Vis selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend une tête de mélange (6) suivant
immédiatement le tronçon de dosage.
5. Vis selon l'une quelconque des revendications
1 à 4, caractérisée en ce que le tronçon à spire barrière
(8) a un diamètre constant de racine.
6. Vis selon la revendication 5, caractérisée en ce que: (a) le tronçon d'alimentation (2) comporte neuf spires, (b) la première partie de transition (7) a trois spires, (c) la partie à spire barrière (8) a sept spires, (d) la seconde partie de transition (12) a deux spires, (e) le tronçon de dosage (4) a sept spires, et (f) le rapport longueur/diamètre de la vis est
égal à 30/1.
7. Vis selon l'une quelconque des revendications
1 à 4, caractérisée en ce que le diamètre de la racine de la partie à spire barrière (8) diminue vers la sortie
de l'extrudeuse.
8. Vis selon la revendication 7, caractérisée en ce que: (a) le tronçon d'alimentation (2) a neuf spires, (b) la première partie de transition(7) a trois spires, (c) la partie à spire barrière (8) a sept spires, (d) la seconde partie de transition (12) a deux spires, (e) le tronçon de dosage (4) a sept spires, et (f) le rapport longueur/diamètre de la vis est
égal à 30/1.
9. Procédé d'extrusion de matières plastiques, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) l'introduction de matières solides d'un polymère thermoplastique dans un tronçon d'alimentation d'une extrudeuse, (b) la compression du polymère avec malaxage du polymère afin qu'il forme une matière fondue, (c) la séparation de la matière fondue du polymère comprimé des matières solides restantes avec poursuite du
malaxage des matières solides afin que des quantités sup-
plémentaires de matières fondues qui sont ensuite séparées des matières solides se forment, et (d) la compression de la partie fondue avant l'extrusion.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les matières solides sont légèrement comprimées pendant que la partie fondue est séparée des matières solides.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre le malaxage supplémentaire
de la partie fondue dans un tronçon de dosage.
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