Procédé d'extrudage de matières thermoplastiques.
La présente invention concerne des perfectionnements au traitement.des matières thermoplastiques et plus spécialement à la fabrication de câbles électriques par extrudage.
Il est connu qu'on peut fabriquer des articles tels que barres ou tiges, fils métalliques isolés, câbles et autres objets enrobés, en extrudant une composition thermoplastique à une température élevée, éventuellement sur ou autour d'un support, tel qu'un fil métallique, de manière à former une barre
ou tige, un revêtement ou analogue, cohérents, et en laissant refroidir le produit. Ces procédés sont applicables à une grande variété de matières thermoplastiques, et la présente invention concerne l'utilisation de matières thermoplastiques pour l'extrudage de profilés qui soient suffisamment rigides pour résister à la déformation par la pression atmosphérique à l'état froid et qui se contractent durant le refroidissement de la matière extrudée à chaud.
Lorsqu'on extrude une couche relativement épa.isse de ces matières, et ceci en une seule couche, en procédant sur
une grande échelle il est difficile d'éviter la formation de bulles ou de vides, notamment de bulles ou de vides autour d'un fil conducteur central recouvert d'un revêtement thermoplastique
de section transversale circulaire. On rencontre une difficulté similaire dans le moulage par injection de ces matières et dans ce cas la difficulté est surmontée en continuant l'injection pendant le refroidissement. Ce procédé n'est pas applicable à l'extrudage de barres ou de fils métalliques enrobés. Dans le cas des fils métalliques enrobés la difficulté provenant de la formation de vides peut souvent être surmontée en appliquant la matière thermoplastique en plusieurs couches minces et en la faisant refroidir très lentement, mais ces procédés sont lents pour la fabrication sur une grande échelle.
La présente invention a pour objet un procédé de préparation d'articles ou de revêtements d'une grande épaisseur, exempts de bulles ou de vides, en un moindre nombre d'opérations que ce n'était possible jusqu'à présent, et à une vitesse de refroidissement relativement élevée.
Suivant la présente invention on fabrique des barres ou tiges, des fils métalliques enrobés, des câbles isolés et des profilés obtenus ou façonnés par extrudage, à partir de matières thermoplastiques par un procédé dans lequel on extrude ou façonne
<EMI ID=1.1> autrement la matière thermoplastique à une température supérieure à son point de ramollissement, éventuellement sur ou autour d'un support tel qu'un fil,métallique ou un conducteur électrique, et on fait ensuite,'refroidir l'ensemble tout en le soumettant à une pression extérieure. Une autre caractéristique de l'invention consiste dans l'emploi d'une chambre ou d'un tube de refroidissement sous pression dans lequel le refroidissement peut être exécuté à une vitesse élevée sans formation de bulles ou de vides.
On peut supposer que la formation de bulles ou de vides pendant un refroidissement rapide de sections épaisses sans application d'une pression extérieure est due à la formation d'une pellicule extérieure rigide de la matière thermoplastique avant que la partie intérieure ou noyau ne soit solidifiée ou refroidie. La solidification et/ou le refroidissement subséquents entraînent une'contraction et si la pellicule extérieure est trop rigide ou trop raide pour s'affaisser sous les forces agissantes cela entraîne la formation de vides.
Quoique l'invention soit applicable à tous les procédés de fabrication de barres ou tiges, de fils métalliques enrobés,
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son application à l'extrudage de ces articles et de profilés obtenus par extrudage. L'extrudage offre les avantages de la facilité et de la continuité de l'opération et fournit un produit uniforme.
Suivant une forme d'exécution typique de l'invention, avec du polythène comme matière thermoplastique, on tire un fil de cuivre à travers une filière que l'on alimente aussi de polythène, normalement solide, à une température supérieure à 110[deg.]C. Si le polythène est à une température supérieure à celle à laquelle une décomposition appréciable se produit facilement, il faut le maintenir à cette température élevée seulement pendant peu de temps, de sorte que le degré de décomposition soit négligeable. Le fil métallique extrude à travers la filière est recouvert d'une couche continue de polythène se trouvant à l'état ramolli. Il est ensuite soumis au refroidissement dans .une chambre sous pression.
Ceci peut être exécuté par' exemple en le faisant passer par un' tube a pression par lequel.on fait passer aussi un agent réfrigérant comme de l'air ou de l'eau sous pression. Le fil enrobé et refroidi, passé par cette chambre, présente un revêtement continu de polythène exempt de bulles.
Une autre application de la présente invention consiste à fabriquer une barre de matière thermoplastique en faisant passer une matière telle que du polythène par une filière à une température supérieure à son point de ramollissement et à tirer la barre à travers un tube à pression réfrigéré dans lequel il est refroidi par contact avec de l'air, de l'eau ou un autre agent réfrigérant sous pression.
Suivant une forme d'exécution préférée de l'appareil pour l'exécution du procédé faisant l'objet de la présente invention, le tube ou chambre à pression réfrigéré est raccordé par l'une de ses extrémités directement à la filière tandis. que son autre extrémité peut être garnie d'un dispositif d'étanchéité à travers lequel on puisse tirer la barre refroidie ou le fil enrobé refroidi. L'air, l'eau ou autre agent réfrigérant peut s'échapper par ce dispositif d'étanchéité ou par un orifice convenable.
Il est évident que la filière ne doit pas être réfrigérée à une température qui soit trop basse pour, assurer un extrudage satisfaisant et il est parfois désirable, notamment dans le cas d'emploi d'un liquide tel que l'eau comme agent réfrigérant
et lorsque la chambre de refroidissement est voisine de la
filière ou adjacente à celle-ci, de prévoir un barrage ou une cloison ou chicane empêchant l'eau froide de circuler autour
de la filière.
L'invention est applicable à toutes les matières plastiques susceptibles d'être extrudées et qui se contractent durant
le refroidissement et/ou la solidification pour fournir une substance solide qui ne s'affaisse pas facilement. Elle peut être appliquée aux polymères solides à poids moléculaire élevé et à d'autres matières synthétiques ainsi qu'aux matières rencontrées
à l'état naturel. Des exemples de matières de ce genre sont:le polythène d'un poids moléculaire de 10.000, le polyisobutylène d'un poids moléculaire de 100.000, le chlorure de polyvinyle plastifié, les interpolymères de styrolène et d'isobutylène, l'éthylcellulose plastifiée, la gutta-percha, et les mélanges compatibles contenant ces substances. Par mélanges compatibles
il faut entendre des mélanges qui restent homogènes en se refroidissant et qui ne se séparent pas par ségrégation en deux ou plusieurs phases solides. Certaines de ces matières subissent
une contraction en volume allant jusqu'à 15% lors de leur: refroidissement à la température ordinaire à partir de l'état chaud plastique dans lequel elles sont extrudées. Ainsi, le refroidissement rapide d'une barre de 5 à 10 mm. de diamètre, sans application d'une pression extérieure, peut conduire à l'obtention d'une barre présentant de nombreux vides et bulles d'un diamètre s'élevant jusqu'à et même excédant 1 mm.
La pression minimum que l'on peut appliquer dans la chambre de refroidissement sous.pression dépend, entre autres,de la vitesse du refroidisssment, de l'épaisseur de la matière thermoplastique et de l'intervalle de températures dans lequel elle
doit être refroidie. Il a été constaté suivant la présente invention que dans le cas du revêtement de fils métalliques d'une
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viron 130[deg.]C, le fil enrobé peut être refroidi sans formation de vides ni de bulles en le tirant à une vitesse de 3,05. m. par minute à travers un tube de 2,44 m. de longueur, à travers lequel on souffle de l'air froid tout en maintenant la pression d'air dans le tube à 0,70 Kg/cm<2> au-dessus de la pression atmosphérique. Des pressions de beaucoup supérieures, telles que 14,06 Kg/cm2, peuvent être appliquées si l'on veut, mais si la chambre est raccordée directement à la filière la pression régnant dans la chambre ne doit pas excéder la pression d'extrudage. Pour une machine à extruder à vis cette pression peut être d'environ 21,08 Kg/cm2, mais dans le cas de machines-à extruder à piston on peut appliquer des pressions même supérieures. A des pressions élevées on peut appliquer des vitesses de refroidissement élevées.
Les avantages qu'il y a d'empêcher la formation de vides dans les produits dépendent de la nature de ceux-ci et de leur destination. Ainsi, les barres peuvent accuser un manque de résistance et des défauts aux endroits où apparaissent les vides. Les fils métalliques enrobés peuvent présenter des intervalles dans le revêtement ou entre le revêtement et le fil, qui peuvent non seulement être la cause d'un manque de résistance du revêtement mais sont inadmissibles lorsque le fil conducteur est destiné à être utilisé comme câble à haute tension, parce que les vides constituent des régions dans lesquelles une ionisation peut se produire et partant un endommagement et le départ de l'isolant.
Les exemples ci-dessous ,sont donnés à titre illustratif mais non limitatif.
EXEMPLE I.
<EMI ID=4.1> faisant passer le fil à une vitesse de 5.05 m. à la minute par la
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130[deg.]C, l'épaisseur requise de polythène étant forcée simultanément à travers la filière. Un tube de 2,44 m. de longueur est raccordé à la filière et le fil métallique enrobé est tiré à travers ce tube et en sort à travers un dispositif d'étanchéité prévu à l'extrémité opposée du tube. De'l'air comprimé est admis dans le tube à une pression de 1 76 Kg/cm2 au-dessus de la. pression atmosphérique, et on le laisse s'échapper lentement par le dispositif d'étanchéité.
Le revêtement du fil s'est solidifié à sa sortie du tube refroidisseur et il est exempt de vides et de bulles.
A titre comparatif: un procédé d'ex.trudage similaire, dans lequel de l'air est soufflé à travers le tube à la pression atmosphérique pour refroidir et solidifier le revêtement, conduit
à la formation de petites bulles et de vides aux endroits du revêtement qui se trouvent en contact avec le fil métallique.
EXEMPLE 2.
On recouvre un fil de cuivre de 2 mm. de diamètre d'un revêtement circulaire de gutta-percha, d'un diamètre extérieur de 2 cm, en faisant passer le fil par la filière d'une machine à extruder à piston à commande hydraulique, chauffée à 120[deg.]C, la gutta-percha étant extrudée de la filière à la vitesse convenable pour donner au revêtement du fil le diamètre requis. Le fil en-
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de l'eau sous une pression de 10,54 Kg/cm2 qui s'échappe à travers un dispositif d'étanchéité servant à maintenir la pression, l'autre extrémité du tube étant raccordée à la filière.
EXEMPLE 3.
Un mélange de 4 parties en poids de polythène d'un poids moléculaire de 15.000 et de 1 partie en poids de polyisobutylène d'un poids moléculaire de 100.000 est extrudé d'une manière continue, sous forme d'une barre de section transversale circulaire de 1 cm. de diamètre d'une filière d'une machine à extruder à vis chauffée à 140[deg.]C. On. refroidit la barre en la tirant à travers
un tube métallique de 4,57 m. de longueur raccordé à la filière, elle sort de ce tube par un dispositif d'étanchéité prévu à l'extrémité opposée du tube. On refoule de l'air comprimé froid
à une pression de 3,51 Kg/cm2 dans le tube et on le fait sortir
de ce dernier par une soupape régulatrice de pression.
REVENDICATIONS
1) Procédé de fabrication de barres ou tiges, de fils métalliques enrobés, de câbles isolés et de profilés obtenus par extrudage, à partir de matières thermoplastiques, caractérisé en ce qu'on extrude ou façonne autrement la matière thermoplastique
à une température supérieure à son point de ramollissement et en ce qu'on refroidit ensuite l'ensemble tout en le soumettant à une pression extérieure.
Process of extruding thermoplastic materials.
The present invention relates to improvements in the processing of thermoplastic materials and more especially in the manufacture of electric cables by extrusion.
It is known that articles such as bars or rods, insulated metal wires, cables and other coated objects can be manufactured by extruding a thermoplastic composition at an elevated temperature, optionally on or around a support, such as a wire. metallic, so as to form a bar
or rod, coating or the like, coherent, and allowing the product to cool. These methods are applicable to a wide variety of thermoplastic materials, and the present invention relates to the use of thermoplastic materials for extruding profiles which are sufficiently rigid to resist deformation by atmospheric pressure in the cold state and which resist. contract during cooling of the hot extruded material.
When extruding a relatively thick layer of these materials, and this in a single layer, proceeding on
large scale it is difficult to avoid the formation of bubbles or voids, especially bubbles or voids around a central conductive wire covered with a thermoplastic coating
of circular cross section. A similar difficulty is encountered in the injection molding of these materials and in this case the difficulty is overcome by continuing the injection during cooling. This process is not applicable to the extrusion of coated metal bars or wires. In the case of coated metal wires the difficulty arising from the formation of voids can often be overcome by applying the thermoplastic material in several thin layers and cooling it very slowly, but these processes are slow for large scale fabrication.
The present invention relates to a process for the preparation of articles or coatings of great thickness, free of bubbles or voids, in a lower number of operations than was previously possible, and at a low cost. relatively high cooling rate.
According to the present invention, bars or rods, coated metal wires, insulated cables and profiles obtained or shaped by extrusion are manufactured from thermoplastics by a process in which they are extruded or shaped.
<EMI ID = 1.1> otherwise the thermoplastic material at a temperature above its softening point, possibly on or around a support such as a wire, metal or an electrical conductor, and then the whole is cooled. while subjecting it to external pressure. Another feature of the invention is the use of a pressurized cooling chamber or tube in which the cooling can be carried out at a high speed without the formation of bubbles or voids.
It can be assumed that the formation of bubbles or voids during rapid cooling of thick sections without the application of external pressure is due to the formation of a rigid outer film of the thermoplastic material before the inner part or core is solidified. or cooled. Subsequent solidification and / or cooling causes shrinkage and if the outer skin is too stiff or too stiff to sag under the acting forces this results in the formation of voids.
Although the invention is applicable to all methods of manufacturing bars or rods, coated metal wires,
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its application to the extrusion of these articles and profiles obtained by extrusion. Extrusion offers the advantages of ease and continuity of operation and provides a uniform product.
According to a typical embodiment of the invention, with polythene as thermoplastic material, a copper wire is drawn through a die which is also supplied with polythene, normally solid, at a temperature above 110 ° C. ]VS. If the polythene is at a temperature above that at which appreciable decomposition readily occurs, it should be kept at this elevated temperature only for a short time, so that the degree of decomposition is negligible. The wire extruded through the die is covered with a continuous layer of polythene in the softened state. It is then subjected to cooling in a pressure chamber.
This can be done, for example, by passing it through a pressure tube through which also a refrigerant such as air or water under pressure is passed. The coated and cooled yarn, passed through this chamber, has a continuous coating of bubble-free polythene.
Another application of the present invention is to make a bar of thermoplastic material by passing a material such as polythene through a die at a temperature above its softening point and pulling the bar through a refrigerated pressure tube in which it is cooled by contact with air, water or other pressurized refrigerant.
According to a preferred embodiment of the apparatus for carrying out the method forming the subject of the present invention, the refrigerated tube or pressure chamber is connected by one of its ends directly to the die while. that its other end may be fitted with a sealing device through which the cooled bar or the cooled coated wire can be drawn. Air, water or other refrigerant can escape through this sealing device or through a suitable port.
It is obvious that the die should not be refrigerated at a temperature which is too low to ensure satisfactory extrusion and it is sometimes desirable, especially in the case of using a liquid such as water as a refrigerant.
and when the cooling chamber is close to the
die or adjacent to it, to provide a dam or a partition or baffle preventing cold water from circulating around
of the sector.
The invention is applicable to all plastics capable of being extruded and which contract during
cooling and / or solidifying to provide a solid which does not collapse easily. It can be applied to solid polymers with high molecular weight and other synthetic materials as well as to materials encountered
in its natural state. Examples of such materials are: polythene with a molecular weight of 10,000, polyisobutylene with a molecular weight of 100,000, plasticized polyvinyl chloride, interpolymers of styrene and isobutylene, plasticized ethyl cellulose, gutta-percha, and compatible mixtures containing these substances. By compatible mixtures
it should be understood mixtures which remain homogeneous on cooling and which do not separate by segregation into two or more solid phases. Some of these materials are subject to
a volume contraction of up to 15% during their: cooling to ordinary temperature from the hot plastic state in which they are extruded. Thus, the rapid cooling of a bar from 5 to 10 mm. in diameter, without the application of an external pressure, can lead to obtaining a bar having numerous voids and bubbles with a diameter of up to and even exceeding 1 mm.
The minimum pressure that can be applied in the cooling chamber under pressure depends, among other things, on the rate of cooling, the thickness of the thermoplastic material and the temperature range in which it is cooled.
must be cooled. It has been found according to the present invention that in the case of the coating of metal wires of a
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around 130 [deg.] C, the coated wire can be cooled without forming voids or bubbles by pulling it at a speed of 3.05. mr. per minute through a 2.44 m tube. in length, through which cold air is blown while maintaining the air pressure in the tube at 0.70 Kg / cm <2> above atmospheric pressure. Much higher pressures, such as 14.06 Kg / cm2, can be applied if desired, but if the chamber is connected directly to the die the pressure in the chamber should not exceed the extrusion pressure. For a screw extrusion machine this pressure can be around 21.08 Kg / cm2, but in the case of piston extrusion machines even higher pressures can be applied. At high pressures high cooling rates can be applied.
The advantages of preventing voids from forming in products depend on the nature of the product and its intended purpose. Thus, the bars can show a lack of resistance and defects in the places where the voids appear. Coated metal wires can have gaps in the coating or between the coating and the wire, which can not only be the cause of a lack of coating strength but are inadmissible when the conductor wire is intended for use as a high cable. voltage, because the voids constitute regions in which ionization can occur and therefore damage and loss of the insulation.
The examples below are given by way of illustration but not by way of limitation.
EXAMPLE I.
<EMI ID = 4.1> passing the wire at a speed of 5.05 m. per minute by the
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130 [deg.] C, the required thickness of polythene being simultaneously forced through the die. A 2.44 m tube. length is connected to the die and the coated metal wire is drawn through this tube and out through a sealing device provided at the opposite end of the tube. Compressed air is admitted into the tube at a pressure of 1 76 Kg / cm2 above the. atmospheric pressure, and it is allowed to escape slowly through the sealing device.
The coating of the wire has solidified as it exits the cooler tube and is free of voids and bubbles.
For comparison: A similar extrusion process, in which air is blown through the tube at atmospheric pressure to cool and solidify the coating, leads to
to the formation of small bubbles and voids in the areas of the coating which are in contact with the metal wire.
EXAMPLE 2.
We cover a 2 mm copper wire. in diameter of a circular coating of gutta-percha, with an outside diameter of 2 cm, by passing the wire through the die of a hydraulically-operated piston extruding machine, heated to 120 [deg.] C, the gutta-percha being extruded from the die at the proper speed to give the coating of the wire the required diameter. The thread in-
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water under a pressure of 10.54 Kg / cm2 which escapes through a sealing device serving to maintain the pressure, the other end of the tube being connected to the die.
EXAMPLE 3.
A mixture of 4 parts by weight polythene with a molecular weight of 15,000 and 1 part by weight of polyisobutylene with a molecular weight of 100,000 is continuously extruded in the form of a bar of circular cross section of 1 cm. diameter of a die of a screw extruder heated to 140 [deg.] C. We. cools the bar by pulling it through
a 4.57 m metal tube. of length connected to the die, it leaves this tube by a sealing device provided at the opposite end of the tube. Cold compressed air is delivered
at a pressure of 3.51 Kg / cm2 in the tube and it is taken out
of the latter by a pressure regulating valve.
CLAIMS
1) A method of manufacturing bars or rods, coated metal wires, insulated cables and profiles obtained by extrusion, from thermoplastic materials, characterized in that the thermoplastic material is extruded or otherwise shaped
at a temperature above its softening point and in that the assembly is then cooled while subjecting it to an external pressure.