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MÉMOIRE DESCRIPTIF
DÉPOSÉ A L'APPUI D'UNE DEMANDE
DE BREVET D'INVENTION la Société dite: E.I. DU PONT DE NEMOURS AND Co. Procédé et appareil pour la fabrication de filaments effilés et produits en résultant. Demande de brevet aux Etats-Unis d'Amérique du 29 Avril 1943 en faveur de Mr. R. T. FIELDS.
La présente invention a pour objet un procédé perfec- tionné de fabrication de filaments étirés de forme effilée à partir de filaments de produits polymères s'étirant à froid. Plus particulièrement, elle a pour objet un procédé perfectionné de fabrication de poils flexibles effilés à partir de filaments effilés en polymères linéaires synthétiques orientables non étirés. L'invention permet de plus de fabriquer simultanément un grand nombre de poils effilés à partir de filaments effilés de polyamides linéaires synthétiques orientables non étirés.
L'invention a également pour objet l'appareillage pour l'obten- tion de tels filaments, ainsi que les produits obtenus.
La présente invention a notamment pour objets : a) l'obtention de fila.ments effilés ayant des dimen- sions, une forme et des propriétés uniformes ; b) l'obtention de ces filaments d'une façon continue et avec des résultats uniformes; c) un procédé d'étirage à froid des filaments évitant la rupture des filaments; d) un étirage à froid en continu, qui évite la rupture des sections, de faible dimaètre et permettant d'étirer d'une façon suffisante des sections de plus grand diamètre; e) un procédé industriel de fabrication de filaments effilés orientables, étirés à froid en brins multiples, par une méthode qui permet d'obtenir les résultats qui viennent d'être indiqués; f) un procédé ne nécessitant qu'un minimum d'attention de la. part de l'opérateur et une faible dépense d'entretien;
g) l'utilisation de machines simples et économiques, ne nécessitant pas de réglages mécaniques fréquents.
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La demanderesse a trouvé que l'on peut obtenir des fi- laments effilés de dimensions, forme et propriétés uniformes par étirage à froid de filaments/effilés de produits polymères étirables à froid (par exemple, -'des produits solides qui peu- vent être étirés à froid à des températures inférieures à leur point de ramollissement ou de fusion);
entre des points d'étirage largement espacés sous une tension insuffisante pour provoauer la rupture des sections de plus faible diamètre, mpis suffisante pour effectuer l'étirage des parties de plus grand diamètre, au moins jusqu'au degré d'étirage le plus élevé qu'elles sont ca- pables de supporter tout en chauffant le filament entre les points d'étirage, ll' est désirable d'opérer à une température modérée, insuffisante pour produire une ondulation permanente du filament. On a avantage à opérer en présence d'un milieu aqueus, à une température comprise entre 40 et 100 C et de pré- férence entre 50 et 90 C.
Plus particulièrement, l'invention consiste soumettre un filament organique polymérisé étirable à froid, présentant des éléments effilés récurrents se répétant régulièrement sur sa longueur, à un étirage à froid entre des points d'étirage espacés d'une distance eu moins égale à cinq (5) fois la lon- gueur d'un élément (c'est-à-dire le pas entre les léments récur- rents successifs en un point quelconque le long du filaient) du filament effilé étiré, sous une tensicn insuffisante pour provo- quer une rupture par extension du filament, mais suffisante pour effectuer un étirage de ses parties de plus grand diamètre égal à 80% au moins du degr d'étirage maximum qu'elles sont capa.- bles de supporter, et ce à une vitesse telle ou'un point donné du filament mette au moins deux (2)
secondes pour parcourir la distance entre les points d'étirage, le filament étant en con- tact, entre les points d'étirage, avec un milieu aqueux à. une température de 50 C à 90 C pendant un temps d'au moins une (1) seconde.
Un des modes préférés de l'invention consiste en l'éti- rage à froid de filaments organiques orientables ayant des éléments effilés se répétant uniformérent dans la longueur, ces filaments étirés pouvant être coupés pour former des poils de brosses de peintre et autres, dont le diamètre maximum n'est pas inférieur à 0,2 mm, et ne dépasse pas celui aui correspond à une brosse flexible et souple, l'invention visant plus particulière- ment les poils formés de polyamides linéaires synthétiques.
Après l'opération d'étirage a froid, les filaments effilés peu- vent subir un traitement ultérieur, être coupés dans les sections épaisses et/ou minces et assemblas.
L'invention, lorsqu'on l'applique à l'étirage à froid de filaments effilés en brins multiples, comprend avant l'étirage proprement dit un arrangement de filaments d'un même groupe côte à côte dans un même plan, et, de préférence, tout près l'un de l'autre; dans ce but, en avant de l'appareillage d'étirage lui-même, on prpvoit des moyens pour rapprocher les divers fi- laments et former une sorte de rubn. Commodément, on peut utiliser à cet effet un guide plat ou légèrement concave, in- terposé sur la trajectoire rectiligne normale du filament. Ces moyens peuvent aussi avantageusement dévier le filament de sa trajectoire, par exemple, d'environ 20 à. 60 '.
On comprendra. plus facilement l'invention par la des- cription détaillée suivante, en se référant aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple nullement limitatif. Dans les dessins, oà les mêmes numéros de référence se réfèrent aux mêmes parties dans les diverses figures:
La fig. 1 est une vue de côté d'un appareil pour la mise en oeuvre de l'invention;
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la fig. 2 est une vue en plan du même appareil; la fig. 3 est une vue en coupe d'une partie de l'appa- reillage prise le long de la ligne 3-3 de la fig. 1; la fig. 4 est une vue agrandie en perspective des rou- leaux d'étirage montrant le trajet suivi par les filaments; la fig. 5 est une vue en plan des rouleaux d'étirage de la fig. 4 ;
la fig. 6 est une vue agrandie des moyens de guidage des figs. 4 et 5.,, et la fig. 7 est une vue en coupe le long de la ligne 7-7 de la fig. 6.
L'étirage du filament s'effectue par la différence des vitesses périphériques entre deux paires de rouleaux d'étirage.
La paire 11 et 12 tourne à faible vitesse, et la paire 13 et 14 à vitesse élevée. Les rouleaux 11 et 12 sont entraînés par un arbre 15 par l'intermédiaire de pignons hélicoïdaux 16 et 17.
Les rouleaux 13 et 14 sont entraînés d'une façon analogue par l'arbre 18 et par les pighons hélicoïdaux 19 et 20. L'arbre 15 est entraîné par l'arbre 18 par l'intermédiaire de pignons de chaîne
21 et 22; ainsi les vitesses relatives des deux arbres sont soumises à un contrôle, suivant le choix des pignons 21 et 22.
Les vitesses de rotation des paires de rouleaux 11,12 et 13, 14 sont de plus variables suivant le choix des pignons hélicoïdaux respectifs 16,17 et 19, 20. Les vitesses périphériques des rou- leaux 11 et 12 sont les mêmes, et les vitesses périphériques des rouleaux 13 et 14 sont les mêmes. Le rapport de la vitesse pé- riphérique de la paire de rouleaux 13, 14 à celle de la paire de rouleaux 11, 12 détermine le degré de tension appliqué au filament pendant l'opération d'étirage. Si, par exemple, la vitesse péri- phérique des rouleaux les plus rapides est quatre fois la vitesse périphérique des rouleaux les plus lents, le "rapport d'étirage" est, théoriquement, 4 :1, la longueur du filament est augmentée de 300% pendant l'étirage.
En fait, cependant, à cause de l'exis- tence d'une certaine élasticité qui se manifeste après le relâche- ment de l'allongement permanent sera généralement un peu plus faible que 300%, et le rapport d'étirage effectif sera un peu inférieur à 4 :1, soitS,7:1.
Dans la réalisation pratique, la paire de rouleaux 11, 12 peut être placée, pour plus de commodité, directement au-dessous de la paire 13, 14. Cependant, dans le but de mieux représenter le trajet du filament à travers l'appareillage, les rouleaux 13, 14 sont représentés montés sur des arbres plus longs qu'ils ne le sont réellement, de façon qu'ils apparaissent sur le plan. Dans une position qui n'est pas directement en-dessous des autres rouleaux, et, d'une façon correspondante l'alignement horizontal des parties
37, 24 et 25 est légèrement déformé dans' les figures.
Comme clairement indiqué sur la fig. 3, les axes des rou- leaux 11 et 12 ne sont pas parallèles, l'un étant légèrement in- cliné au-dessous de l'horizontale et l'autre légèrement au-dessus de l'horizontale. L'angle réel entre ces positions doit être de l'ordre de 10 degrés, mais est exagéré dans les figures pour plus de clarté. Le but de cette inclinaison des axes est de faire en sorte que chacun de ces rouleaux 11 et 12 serve de guide d'étale- ment de la nappe vis-à-vis de l'autre.
De la même façon, les axes des rouleaux 13 et 14 ne sont pas parallèles, mais l'angle entre ces rouleaux n'a besoin d'être que d'environ la moitié de celui entre les rouleaux 11 et 12, parce que le ruban de filaments éti- rés qui est traité par 13 14 a seulement la moitié environ de ,l'épaisseur du ruban de-filaments non étires traite par 11, 12;
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il en résulte qu'une plus petite avance dans l'action d'étale- ment est suffisante pour espacer .Ces nappes successives.
Le filament 23, ayant des parties effilées, provient d'une bobine ou directement d'une opération précédente. Il entre dans l'appareil par la gauche (figs.l et 2) et s'enroule plusieurs fois autour de la paire de rouleaux 11, 12, comme indiqua dans les figs. 2 et 3. Le fait que ces deux rouleaux ne sont pas pa- rallèles permet à chacun d'eux d'avancer la position des spires successives du filament sur l'autre. Après son dernier tour au- tour de ces rouleaux, le filament 23 passe, de la partie supé- rieure du rouleau 11 à un rouleau fou 24, distant de plusieurs mètres, de là retourne à la partie inférieure du rouleau 14, et passe plusieurs fois autour de la paire de rouleaux 13, 14 de la façon décrite pour les rouleaux 11, 12.
Après son dernier tour autour de cette paire de rouleaux 13, 14, le filament passe à une bobine d'enroulement 25.
Le système est entraîné par un moteur 26 au moyen d'un arbre 27. Par l'intermédiaire des pignons de chaîne 28 et 29, cet arbre 27 entraîne l'arbre 18 pour mettre en mouvement les deux paires de rouleaux 11, 12 et 13,14. Par l'intermédiaire de pignons d'angles 30 et d'un arbre 31, l'arbre 27 entraine un arbre 32 pour mettre en mouvement la bobine d'enroulement 25.
L'arbre 32 entraine la bobine 25 au moyen d'un embrayage à plaques multiples 33, dont le glissement permet le maintien d'une vitesse périphérique constante quand le diamètre effectif de la bobine 25 augmente par l'enroulement du filament sur elle.
Il est désirable de prévoir un mécanisme guide-fil sur le trajet du filament par lequel le filament est guidé à la bobine 25, de manière à former sur celle-ci des couches régulières, mais ce mécanisme ne constitue pas une partie de la présente inven- tion et n'est pas représenté sur les dessins pour plus de sim- plification.
Les parties mobiles essentielles de l'appareillage d'é- tirage proprement dit sont les deux paires de rouleaux 11, 12 et 13, 14. La traction résultant des divers enroulements du fi- lament autour de chacune de ces paires de rouleaux fait que chaque paire joue le rôle de l'un des points d'application de la tension qui résulte de la différence entre les vitesses pé- riphériques des deux paires. Ces points d'application de la tension ou, plus brièvement, "points d'étirage" sont séparés, suivant l'invention, par une distance qui est plus grande que celle utilisée antérieurement.
Cette grande partie de filament entre les points d'étirage peut être obtenue en installant les deux paires de rouleaux à une distance correspondante l'une de l'autre, mais on obtient le même résultat par le dispositif déjà décrit et illustré dans les figs. 1 et 2, dans lequel la longueur du filament entre les deux paires de rouleaux est ren- due aussi importante qu'on le désire par l'interposition d'un rouleau fou de renvoi 24 placé assez loin, alors que les rou- leaux eux-mêmes sont gardés à proximité l'un de l'autre dans le but de rendre l'appareillage plus compact et le mécanisme d'entraînement plus simple.
La longue portée entre les points d'tirage est une caracteristioue importante de l'invention eta de nombreux avan- tages. Elle réduit le risque de rupture du filaient en cours d'étirage pendant son passage entre les points d'étirage, même si la grandeur de la tension et le rapport d'étirage sont res- tés les mêmes.
Quand le filament effilé passe d'une façon continue entre des points d'étirage, ses parties de plus faible diamètre
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sont généralement les premières à être allongées par la ten- sion. Elles semblent être étirées dès leur arrivée dans l'espace compris entre les points d'étirage. En outre, les parties de plus grand diamètre s'étirent également jusqu'à un certain point.
Pour continuer l'étirage des parties de plus grand diamètre sans rupture par extension, on opère comme indiqué ci-dessus en chauffant le filament entre les points de tirage à une température modérée, par exemple entre 40 et 100 C. On effectue ce chauffage, suivant un mode préféré de l'invention, par contact avec une solution aqueuse chauffée. Cependant, on peut utiliser pour le chauffage des fluides chauffés qui sont inertes vis-à-vis des filaments. On peut ainsi utiliser des gaz ou vapeurs chauffés, tels que l'air, l'azote, la vapeur d'eau.
De la même façon, on peut utiliser d'autres liquides inertes, tels que les hydrocarbures aliphatiques et aromatiques qui sont liquides à ces températures. Un milieu liquide est généralement plus actif à cause de sa plus grande capacité calorifique.
Le chauffage du filament. par contact avec un liquide aqueux, par exemple l'eau chaude, s'effectue très simplement en plaçant sur le trajet du filament 23, comme montré dans les figs.
1 et 2, une gouttière 37 ouverte à ses extrémités, dans laquelle de l'eau cha.ude circule continuellement, arrivant par 38 et sor- tant à l'autre extrémité par 39.
L'effet favorable du chauffage des filaments, par con- tact avec de l'eau chaude entre des points d'étirage suivant l'invention est particulièrement marqué avec les polyamides, telles que l'hexaméthylène-sébaçamide. La tension nécessaire pour étirer un tel filament aux environs de la température ambiante est réduite d'environ 27% en amenant la température de 27 C à 82 C, alors que la résistance à la traction n'est réduite que de 4%. Dans le cas de l'hexaméthylène adipamide, il se produit une réduction analogue, la tension étant réduite d'environ 20% alors que la résistance a la traction est réduite à un degré beaucoup moins élevé..
D'une façon générale, on effectue l'étirage de telle sorte que le coefficient d'allongement soit compris entre 3,6 à 1 et 4 à 1. Bien que l'on ne puisse pas obtenir ainsi dans tous lescas un étirage total des parties de plus grand diamètre, ces conditions sont généralement suffisantes pour des poils effilés pour brosses de peinture et autres, parce que les par- ties de plus petit diamètre sont complètement étirées. Les extrémités épaisses des poils sont contenues au moins en partie dans le manche de la brosse, où une faible proportion de filament incomplètement étiré n'est pas un défaut sérieux.
Les détails précédents sur la technique de l'étirage s'appliquent à un seul filament étiré ou à une nappe de filaments étirés. Pour les opérations industrielles, il est préférable d'étirer simultanément un certain nombre de filaments. Dans ce but, il est avantageux de disposer un certain nombre de filaments en nappe ou ruban, c'est-à-dire parallèlement dans un même plan, chacun étant de préférence en contact avec son voisin pendant toute la durée de l'opération. Ceci s'effectue par l'emploi de guides.
Par exemple, un guide en matière rigide (par exemple métal, verre, matière plastique, céramique, etc..) présentant un contour droit ouelégèrement concave dans un plan perpendicu- laire au filament est interposé survie trajet des filaments venant d'une opération antérieure ou de bobines de réserve, dans une position telle qu'il oblige le paquet de filaments à dévier de sa trajectoire d'un angle appréciable, de préférence 20 à 60 degrés. Cet'appareil est représenté sur les figs. 4 et 5 en
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coopération avec le rouleau 11 décrit ci-dessus. On a employé une grande échelle pour montrer la .-tourne des filaments (qui est quelque peu exagérée) l'action du guide et l'entrée des nappes dans lêappareil d'étirage proprement dit.
On n'a représenté que quelques filaments effilés pour éviter toute confusion. Dans la pratique, les filaments effilés peuvent être tout près les uns des autres et avoir des contours variés. Les conicités peuvent être brusques, graduelles, avec profil incurvé ; filaments peuvent présenter des parties relativement cylindriques aux points de diamètre maximum ou minimum. Le brevet américain N .2.292.905 et la demande de brevet américain de Alfthan et Fields, déposée le 29 Avril 1943 par la demanderesse décrivent des procédés convenant pour la préparation de filaments non étirés effilés comportant des éléments périodiquement récurrent.
Dans les figs. 4 et 5 les filaments individuels sont représentés comme étant en phase, c'est-à-dire que les ventres ou points de diamètre maximun et les noeuds ou points de diamètre minimum sont au même niveau. Cette condition, qui n'est pas ab- solument essentielle pour le succès, est très désirable, et per- met au paquet de filaments effilés étirés d'être coupés par des moyens automatiques dans une opération ultérieure. Si les fila- ments arrivent au guide 34 et au premier rouleau d'étirage en phase, ils le restent généralement pendant toute l'opération d'étirage.
Le guide 34 peut prendre d'autres formes que celle spé- cifiquement représentée. Par exemple, on peut employer un rouleau de contour concave. Le rouleau ou les guides fixes peuvent de plus être munis de rainures correspondant aux positions désirées des divers filaments. En fait, l'usage prolongé d'un guide, sur- tout s'il est fixe, provoque des rainures, résultats de l'abra- sion due aux filaments.
Si les filaments effilés d'un même paquet amené à l'ap- pareil d'étirage ne sont pas en contact, comme c'est le cas pour le groupe 23 de trois filaments,représente sur les figs. 4 et 5, on arrive facilement à les grouper en un ruban comme indiqué dans la fig. 6, par l'action du doigt de l'opérateur ou de l'index et du pouce. Cette disposition une fois réalisée se maintient indé- finiment par l'action du guide 34, tant que les filaments du groupe ne sont pas enroulés les uns autour des autres. La conca- vité de la surface du guide force les divers filaments à rester tout près l'un de l'autre et en contact aux ventres.
La résistance de frottement au passage des filaments sur le guide est réduite en maintenant le filaient à l'état humide à son arrivée sur le guide. On y arrive facilement en faisant passer le filament à travers un récipient d'eau dans son trajet vers le guide. De plus la présence d'un film d'eau sur les filaments contribue à maintenir les divers filaments du groupe formant ruban en contact avec leurs voisins.
La disposition des filaments côte à côte, en phase et en contact permet de faire une mesure précise du diamètre maximum du filament, dans un but de contrôle, en mesurant la largeur totale du ruban et en divisant ensuite par le nombre de filaments .qu'il contient.
Mais le but principal et l'avantage de la disposition d'un certain nombre de filaments en phase dans un même plan avant l'étirage est d'assurer exactement le même traitement à chaque filament individuel dans l'opération d'étirage. Ceci est important, dans le but d'éviter au groupe de se déphaser et aussi parce qu'on élimine les effets de frottement entre fila- ments en contact avec un paquet de filaments formé au hasard et soumis à l'étirage; ces frottements peuvent affaiblir ou casser des filaments.
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Les figs. 4 et 5 montrent aussi, à plus grande échelle, le passage au filament 23 vers les rouleaux à faible vitesse 11 et 12, de l'appareil d'étirage déjà décrit, autour de ceux-ci ' et au départ ae ces rouleaux. On observera que l'action de guidage de ces deux rouleaux fait progresser le ruban de filaments 23 de l'arrière à l'avant de cette paire de rouleaux dans ses passages successifs autour d'eux. On notera aussi que le filament, quand il est libéré de son ancrage par traction et soumis à la tension après son dernier enroulement autour du rouleau 11, commence immédiatement à subir une traction, c'est-à-dire l'étirage à froid, dans ses parties de plus grand diamètre; ceci .est mis en évidence par la plus grande distance entre les points successifs de diametre maximum dans le filament à ce stade (a'-b') qu'avant le commencement de l'étirage (a-b).
L'invention donne un procédé pratique, économique, et efficace d'étirage à froid, à l'échelle industrielle, de fila- ments effilés non étirés. Dans sa réalisation préférée, qui comprend l'étirage d'un certain nombre de filaments disposés côte à côte dans un même plan, elle soumet tous les filaments individuels d'un groupe à brins multiple au même traitement d'étirage et maintient ainsi en phase.un groupe de filaments arrivés en phase à l'appareil d'étirage. De plus, le filament étiré se rend, toujours en phase, aux opérations ultérieures, (conditionnement et coupage).
L'appareillage nécessaire pour mettre en oeuvre le pro- céué suivant l'invention est simple, ne demande pas de surveillance délicate, et peut. être facilement maintenu en bon état de marche.
Les rouleaux entre lesquels s'applique la tension d'étirage peu-¯ vent être de bonne dimension et d'une résistance correpondant à leurs dimensions. Leur surface peut être en métal ou autre matière durable, alors que les machines antérieurement proposées ont de petits rouleaux revêtus de caoutchouc ou autre matière demandant à être fréquemment inspectée ou réglée, et nécessitant des remplacements ou réparations.
La constatation ae l'inutilité d'étirer complètement les ventres des filaments étirés qui deviennent les gros bouts des "poils" aes, brosses pour peinture et autres, étend le champ d'application de l'invention à l'étirage à froid de certains filaments effilés qui, en raison de leur nature et/ou de leurs dimensions ne peuvent être complètement étirés, même par le procédé de l'invention, dans les ventres, sans rupture des noeuds, et apporte de plus un facteur de sécurité dans le tra-i.- tement de.filaments étirés qui ne sont pas soumms à cette diffi- culté.
Il est évident que l'invention, en ce qui concerne la technique même de l'étirage, a surtout de la valeur pour l'éti- rage de filaments .effilés ou la longueur de chaque élément est courte, par exemple les filaments utilisés pour les brosses pour peinture, mais elle est également utile'pour les films amincis à leurs extrémités.
Dans le cas de filaments effilés à éléments de grande longueur, comme on en emploie dans les bas de lignes de pêche, la méthode Smith (brevet américain N 2292. 905) qui limite la aistance entre points d'étirage, devient industrielle- ment réalisable, même sans l'emploi de rouleaux de caoutchouc pour fixer les points d'étirage, Mais le guide décrit dans la présente demande comme moyen de maintenir un certain nombre de filaments en nappe ou ruban sera utile, en liaison avec la technique de Smith, appliquée au filament pour bas de ligne de pêche.
L'invention s'applique évidemment aux filaments effilés de matières autres que celles mentionnées ici, pour autant que celles-ci ont des propriétés principales similaires.
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L'invention n'est pas limitée au traitement de fila- ments des deux polyamides spécifiques indiques ci-dessus. Au contraire elle peut s'appliquer à m'importe quel filament effilé qui peut être étiré à froid. Les filaments polymères préférés sont des polyamides des types décrits dans les brevets américains N ,2071250, 2071253 et 2130948. Ces polyamides sont préparées à partir de réactifs bifonctionnels formant des polyamides et qui contiennent des groupements amides comme partie intégrante de la chaine principale d'atomes dans le polymère. Il n'est pas essentiel que le groupe de liaison dans la chaine du polymère consiste seulement en groupements amides ; peuvent aussi con- tenir d'autres groupements, par exemple des grovpements ester.
Les polyamides sont de deux types généraux celles qui dé- rivent de diamines et d'acides dicarboxylicues ou de dérivés formant des amides d'acide carboxylique dibasique et celles dérivé* d'amino-acides polymérisables ou de leurs dérivés for- mant des amides par exemple esters de lactames. Par hydrolyse avec l'acide chlorhydrique les polyamides donnent des réactifs générateurs des polyamides; les polyamides du type diamine- qcide dibasique donnent un chlorhydrate de diamine et un acide carboxylique dibasique, alors que celles du type amino acide donnent un chlorhydrate d'amino acide.
Comme exemples spécifi- ques de telles polyamides, on peut citer les suivantes: polydécaméthylène adipamide, polyhexaméthylène sébaçamide, polypenthaméthylène sébaçamide, polyoctaméthylène adipamide, polymère de l'acide 6-amino-caproïque, et polymère de l'acide 11-amino-undécanoïque. On peut aussi utiliser des mélanges de polyamides et d'interpolyamides.
Comme exemples de tels inter- polyamides, on peut citer ceux dérivés de l'hexaméthylène dia- mine, décaméthylènediamine, acide adipique et acide sébacique, et de l'hexaméthylènediamide, acide adipique et acide 6-aminoca- proique. Comme exemples de polyamides contenant des groupements autres que des groupements amides, on peut citer les interpoly- mères ester-amide, tels qu'on peut les obtenir à partir d'une diamine, d'un acide dibasique et d'un glycol, ou à partir d'un aminoacide et d'un acide hydroxylé. Pour les brosses pour peinture, les produits préférés comprennent la superpolyamide hexaméthylène sébaçamide ou hexaméthylène adipamide seule ou en mélange avec de 2% à 30% (et en particulier environ 10%) d'une résine de phénol-formaldéhyde.
De tels produits sont décrits dans la demande de brevet américain N .397887 de la demanderesse.
Le terme "polyamide" tel qu'employé dans l'invention comprend les polymères renfermant un certain nombre de groupe- ments de structure
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quelle que soit la nature de l'atome lié aux liaisons libres indiquées. Le terme comprend les polymères dérivés d'un glycol et d'un diisocyanate ou d'un diisothiocyanate.
Les filaments effilés suivant'la présente invention ne consistent pas nécessairement en totalité en polyamide ou polyamide modifiée. Il est fréquemment désirable de délustrer et/ou de colorer les filaments par addition d'un pigment au polymère ou aux réactifs qui servent à préparer le polymère. Il est aussi utile dans beaucoup de cas, de teindre le filament, par exemple avec du noir nigrosine, du marron soudan, etc.. Ainsi, les lignes de pêche ou les bas de lignes peuvent être colorés pour ressembler de très près à l'eau de presque n'importe quelle couleur ou turbidité par un choix approprié de teintures ou de pigments. Les poils peuvent aussi avoir la couleur et la longueur désirées. Pour les brosses pour peintures, une longueur d'élément de 10 à 50 cm est possible.
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Il est évident que l'invention est surtout intéressante pour l'étirage de filaments effilés où la longueur de l'élément est courte, par exemple un filament utilisable pour les brosses pour peinture et autres, mais qu'elle pst aussi utilisable pour des filaments effilés plus longs, par exemple les bas de lignes de pêche.
Naturellement l'invention n'est nullement limitée aux modes d'exécution décrits et représentés.
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DESCRIPTIVE MEMORY
SUBMITTED IN SUPPORT OF A REQUEST
The Company called: E.I. DU PONT DE NEMOURS AND Co. Method and apparatus for the manufacture of tapered filaments and products resulting therefrom. Patent application in the United States of America of April 29, 1943 in favor of Mr. R. T. FIELDS.
The present invention relates to an improved process for making tapered drawn filaments from cold-drawn polymer product filaments. More particularly, it relates to an improved process for manufacturing tapered flexible bristles from tapered filaments of unstretched orientable synthetic linear polymers. The invention further enables a large number of tapered bristles to be produced simultaneously from tapered filaments of unstretched orientable synthetic linear polyamides.
A subject of the invention is also the apparatus for obtaining such filaments, as well as the products obtained.
The objects of the present invention are in particular: a) the production of tapered filaments having uniform dimensions, shape and properties; b) obtaining these filaments in a continuous manner and with uniform results; c) a cold drawing process for the filaments preventing breakage of the filaments; d) continuous cold drawing, which prevents the breaking of sections, of small diameter and allowing sufficient stretching of sections of larger diameter; e) an industrial process for the manufacture of orientable tapered filaments, cold drawn in multiple strands, by a method which makes it possible to obtain the results which have just been indicated; f) a process requiring minimal attention from the. operator's share and low maintenance expense;
g) the use of simple and economical machines, which do not require frequent mechanical adjustments.
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Applicants have found that tapered filaments of uniform size, shape and properties can be obtained by cold drawing of cold stretchable filament / tapered polymer products (eg, solid products which can be produced. cold drawn at temperatures below their softening or melting point);
between widely spaced stretching points under insufficient tension to break the smaller diameter sections, but sufficient to achieve the stretching of the larger diameter portions, at least to the highest degree of stretching required. While they are able to withstand while heating the filament between the draw points, it is desirable to operate at a moderate temperature, insufficient to produce permanent crimp of the filament. It is advantageous to operate in the presence of an aqueous medium, at a temperature between 40 and 100 C and preferably between 50 and 90 C.
More particularly, the invention consists in subjecting a cold-stretchable polymerized organic filament, having recurring tapered elements repeating regularly over its length, to cold drawing between drawing points spaced at a distance of less than five ( 5) times the length of an element (i.e. the pitch between successive recurring elements at any point along the spinning) of the tapered filament stretched, under insufficient tension to cause a breakage by extension of the filament, but sufficient to carry out a drawing of its parts of larger diameter equal to at least 80% of the maximum degree of drawing that they are able to withstand, and this at such a speed or 'a given point of the filament puts at least two (2)
seconds to travel the distance between the draw points with the filament in contact, between the draw points, with an aqueous medium at. a temperature of 50 C to 90 C for a time of at least one (1) second.
One of the preferred embodiments of the invention is the cold drawing of orientable organic filaments having tapered elements repeating uniformly in length, which drawn filaments can be cut to form bristles of painter's brushes and the like, including the maximum diameter is not less than 0.2 mm, and does not exceed that which corresponds to a flexible and flexible brush, the invention more particularly aimed at bristles formed from synthetic linear polyamides.
After the cold drawing operation, the tapered filaments can undergo further processing, cut into thick and / or thin sections and put together.
The invention, when applied to the cold drawing of tapered filaments in multiple strands, comprises, before the actual drawing, an arrangement of filaments of the same group side by side in the same plane, and, preferably, very close to each other; for this purpose, in front of the drawing apparatus itself, means are provided for bringing the various filaments together and forming a sort of ribbon. Conveniently, a flat or slightly concave guide can be used for this purpose, interposed on the normal rectilinear path of the filament. These means can also advantageously deflect the filament from its path, for example, by about 20 to. 60 '.
We will understand. the invention more easily by the following detailed description, with reference to the appended drawings, given by way of non-limiting example. In the drawings, where like reference numerals refer to the same parts in the various figures:
Fig. 1 is a side view of an apparatus for carrying out the invention;
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fig. 2 is a plan view of the same apparatus; fig. 3 is a sectional view of part of the apparatus taken along line 3-3 of FIG. 1; fig. 4 is an enlarged perspective view of the draw rollers showing the path followed by the filaments; fig. 5 is a plan view of the drawing rollers of FIG. 4;
fig. 6 is an enlarged view of the guide means of FIGS. 4 and 5. ,, and FIG. 7 is a sectional view taken along line 7-7 of FIG. 6.
The drawing of the filament is effected by the difference in the peripheral speeds between two pairs of drawing rollers.
Pair 11 and 12 rotate at low speed, and pair 13 and 14 at high speed. The rollers 11 and 12 are driven by a shaft 15 via helical pinions 16 and 17.
The rollers 13 and 14 are driven in a similar way by the shaft 18 and by the helical pighons 19 and 20. The shaft 15 is driven by the shaft 18 by means of chain sprockets.
21 and 22; thus the relative speeds of the two shafts are subject to control, depending on the choice of pinions 21 and 22.
The rotational speeds of the pairs of rollers 11, 12 and 13, 14 are moreover variable depending on the choice of the respective helical gears 16, 17 and 19, 20. The peripheral speeds of the rollers 11 and 12 are the same, and the peripheral speeds of rollers 13 and 14 are the same. The ratio of the peripheral speed of the pair of rollers 13, 14 to that of the pair of rollers 11, 12 determines the degree of tension applied to the filament during the drawing operation. If, for example, the peripheral speed of the fastest rollers is four times the peripheral speed of the slower rollers, the "draw ratio" is, theoretically, 4: 1, the filament length is increased by 300. % during stretching.
In fact, however, because of the exis- tence of a certain elasticity which manifests itself after the release of the permanent elongation will generally be a little less than 300%, and the effective stretch ratio will be a slightly less than 4: 1, i.e.S, 7: 1.
In the practical embodiment, the pair of rollers 11, 12 may be placed, for convenience, directly below the pair 13, 14. However, in order to better represent the path of the filament through the apparatus, the rollers 13, 14 are shown mounted on shafts longer than they actually are, so that they appear on the plan. In a position which is not directly below the other rollers, and correspondingly the horizontal alignment of the parts
37, 24 and 25 is slightly distorted in the figures.
As clearly indicated in fig. 3, the axes of rollers 11 and 12 are not parallel, one being inclined slightly below the horizontal and the other slightly above the horizontal. The actual angle between these positions should be on the order of 10 degrees, but is exaggerated in the figures for clarity. The purpose of this inclination of the axes is to ensure that each of these rollers 11 and 12 serve as a guide for spreading the web vis-à-vis the other.
Likewise, the axes of rollers 13 and 14 are not parallel, but the angle between these rollers need only be about half that between rollers 11 and 12, because the tape of stretched filament which is treated by 13 14 is only about half the thickness of the unstretched ribbon of filaments treated by 11, 12;
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it follows that a smaller advance in the spreading action is sufficient to space these successive layers.
The filament 23, having tapered parts, comes from a spool or directly from a previous operation. It enters the apparatus from the left (figs.l and 2) and winds several times around the pair of rollers 11, 12, as indicated in figs. 2 and 3. The fact that these two rollers are not parallel allows each of them to advance the position of the successive turns of the filament on the other. After its last turn around these rollers, the filament 23 passes from the upper part of the roll 11 to an idle roll 24, several meters away, from there returns to the lower part of the roll 14, and passes several times around the pair of rollers 13, 14 as described for rollers 11, 12.
After its last turn around this pair of rollers 13, 14, the filament passes to a winding spool 25.
The system is driven by a motor 26 by means of a shaft 27. Via chain sprockets 28 and 29, this shaft 27 drives the shaft 18 to set in motion the two pairs of rollers 11, 12 and 13 , 14. By means of angle pinions 30 and a shaft 31, the shaft 27 drives a shaft 32 to set the winding coil 25 in motion.
The shaft 32 drives the spool 25 by means of a multiple-plate clutch 33, the sliding of which allows a constant peripheral speed to be maintained as the effective diameter of the spool 25 increases by winding the filament on it.
It is desirable to provide a yarn guide mechanism in the filament path by which the filament is guided to spool 25, so as to form regular layers thereon, but this mechanism does not form a part of the present invention. - tion and is not shown in the drawings for the sake of simplicity.
The essential moving parts of the pulling apparatus proper are the two pairs of rollers 11, 12 and 13, 14. The traction resulting from the various windings of the filament around each of these pairs of rollers causes each pair plays the role of one of the points of application of the tension which results from the difference between the peripheral speeds of the two pairs. These points of application of tension or, more briefly, "points of stretching" are separated, according to the invention, by a distance which is greater than that used previously.
This large part of filament between the drawing points can be obtained by installing the two pairs of rollers at a corresponding distance from each other, but the same result is obtained by the device already described and illustrated in Figs. 1 and 2, in which the length of the filament between the two pairs of rollers is made as long as desired by the interposition of an idler roller 24 placed far enough away, while the rollers themselves themselves are kept close to each other in order to make the apparatus more compact and the drive mechanism simpler.
The long span between the draw points is an important feature of the invention and has many advantages. It reduces the risk of the yarn being broken during drawing as it passes between the draw points, even though the magnitude of the tension and the draw ratio have remained the same.
When the tapered filament passes continuously between draw points, its smaller diameter parts
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are usually the first to be lengthened by tension. They appear to be stretched as soon as they arrive in the space between the stretch points. In addition, the larger diameter parts also stretch to a certain extent.
To continue the drawing of the larger diameter parts without breaking by extension, the procedure is as indicated above by heating the filament between the drawing points at a moderate temperature, for example between 40 and 100 C. This heating is carried out, according to a preferred embodiment of the invention, by contact with a heated aqueous solution. However, heated fluids which are inert to the filaments can be used for heating. It is thus possible to use heated gases or vapors, such as air, nitrogen, water vapor.
Likewise, other inert liquids can be used, such as aliphatic and aromatic hydrocarbons which are liquid at these temperatures. A liquid medium is generally more active because of its greater heat capacity.
Heating the filament. by contact with an aqueous liquid, for example hot water, is carried out very simply by placing on the path of the filament 23, as shown in figs.
1 and 2, a gutter 37 open at its ends, in which hot water circulates continuously, arriving at 38 and exiting at the other end at 39.
The favorable effect of heating the filaments by contact with hot water between draw points according to the invention is particularly marked with polyamides, such as hexamethylene-sebacamide. The tension required to stretch such a filament at around room temperature is reduced by about 27% by bringing the temperature from 27 C to 82 C, while the tensile strength is reduced by only 4%. In the case of hexamethylene adipamide, a similar reduction occurs, the tension being reduced by about 20% while the tensile strength is reduced to a much lesser degree.
In general, the stretching is carried out so that the coefficient of elongation is between 3.6 to 1 and 4 to 1. Although it is not possible in this way to obtain total stretching in all cases. parts of larger diameter, these conditions are generally sufficient for tapered bristles for paint brushes and the like, because the portions of smaller diameter are fully stretched. The thick ends of the bristles are contained at least in part in the brush handle, where a small proportion of incompletely stretched filament is not a serious fault.
The foregoing details of the drawing technique apply to a single drawn filament or to a web of drawn filaments. For industrial operations, it is preferable to simultaneously stretch a number of filaments. For this purpose, it is advantageous to have a certain number of filaments in a sheet or ribbon, that is to say parallel in the same plane, each preferably being in contact with its neighbor throughout the duration of the operation. This is done through the use of guides.
For example, a guide of rigid material (for example metal, glass, plastic, ceramic, etc.) having a straight or slightly concave contour in a plane perpendicular to the filament is interposed to survive the path of the filaments coming from a previous operation. or reserve spools, in a position such as to cause the bundle of filaments to deviate from its path by an appreciable angle, preferably 20 to 60 degrees. This apparatus is shown in figs. 4 and 5 in
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cooperation with the roller 11 described above. A large scale has been used to show the spinning of the filaments (which is somewhat exaggerated) the action of the guide and the entry of the webs into the drawing apparatus itself.
Only a few tapered filaments have been shown to avoid any confusion. In practice, the tapered filaments can be very close to each other and have various contours. The taper can be sudden, gradual, with a curved profile; filaments can have relatively cylindrical parts at the points of maximum or minimum diameter. US Patent No. 2,292,905 and the US Patent Application of Alfthan and Fields, filed April 29, 1943 by the Applicant describe processes suitable for the preparation of unstretched tapered filaments comprising periodically recurring elements.
In figs. 4 and 5 the individual filaments are shown as being in phase, i.e. the bellies or points of maximum diameter and the nodes or points of minimum diameter are at the same level. This condition, which is not absolutely essential for success, is very desirable, and allows the bundle of drawn tapered filaments to be cut by automatic means in a subsequent operation. If the filaments arrive at guide 34 and the first in-phase draw roller, they generally remain so throughout the entire stretching operation.
Guide 34 may take other forms than that specifically shown. For example, a roller with a concave contour can be used. The roller or the fixed guides may further be provided with grooves corresponding to the desired positions of the various filaments. In fact, the prolonged use of a guide, especially if it is fixed, causes grooves, the result of abrasion from the filaments.
If the tapered filaments of the same bundle supplied to the drawing apparatus are not in contact, as is the case for the group 23 of three filaments, shown in figs. 4 and 5, it is easy to group them into a ribbon as shown in fig. 6, by the action of the operator's finger or index finger and thumb. This arrangement once achieved is maintained indefinitely by the action of the guide 34, as long as the filaments of the group are not wound around one another. The concavity of the guide surface forces the various filaments to remain in close proximity to each other and in contact at the bellies.
The frictional resistance to the passage of the filaments on the guide is reduced by keeping the spinning in the wet state when it arrives on the guide. This is easily achieved by passing the filament through a container of water on its way to the guide. In addition, the presence of a film of water on the filaments contributes to maintaining the various filaments of the group forming the tape in contact with their neighbors.
The arrangement of the filaments side by side, in phase and in contact allows an accurate measurement of the maximum filament diameter, for the purpose of control, by measuring the total width of the ribbon and then dividing by the number of filaments. it contains.
But the main purpose and advantage of arranging a number of phased filaments in one plane prior to drawing is to provide exactly the same treatment to each individual filament in the drawing operation. This is important, in order to prevent the group from being out of phase and also because the effects of friction between filaments in contact with a bundle of filaments formed at random and subjected to drawing are eliminated; this friction can weaken or break filaments.
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Figs. 4 and 5 also show, on a larger scale, the passage of the filament 23 to the low speed rollers 11 and 12, of the drawing apparatus already described, around them and initially to these rolls. It will be observed that the guiding action of these two rollers causes the ribbon of filaments 23 to advance from the rear to the front of this pair of rollers in its successive passages around them. It will also be noted that the filament, when it is released from its anchorage by traction and subjected to tension after its last winding around the roller 11, immediately begins to undergo traction, that is to say cold drawing, in its parts of larger diameter; this is evidenced by the greater distance between successive points of maximum diameter in the filament at this stage (a'-b ') than before the start of drawing (a-b).
The invention provides a practical, economical, and efficient process for cold drawing, on an industrial scale, unstretched tapered filaments. In its preferred embodiment, which comprises the drawing of a number of filaments arranged side by side in the same plane, it subjects all the individual filaments of a multiple strand group to the same drawing treatment and thus maintains in phase .a group of filaments arrived in phase at the drawing apparatus. In addition, the stretched filament goes, always in phase, to subsequent operations (packaging and cutting).
The equipment necessary for implementing the process according to the invention is simple, does not require delicate monitoring, and can. be easily maintained in good working order.
The rollers between which the draw tension is applied may be of the correct size and of a strength corresponding to their dimensions. Their surface may be of metal or other durable material, whereas previously proposed machines have small rollers coated with rubber or other material requiring frequent inspection or adjustment, and requiring replacement or repair.
The finding that it is useless to completely stretch the bellies of the drawn filaments which become the big ends of the "hairs" of paint brushes and the like, extends the field of application of the invention to the cold drawing of certain types. tapered filaments which, due to their nature and / or their dimensions, cannot be completely stretched, even by the method of the invention, in the bellies, without breaking the knots, and also provides a safety factor in the tra -i. of stretched filaments which are not subject to this difficulty.
It is evident that the invention, as far as the technique of drawing itself is concerned, is especially valuable for drawing tapered filaments where the length of each element is short, for example the filaments used for. paint brushes, but it is also useful for films thinned at their ends.
In the case of tapered filaments with elements of great length, as is used in the bottom of fishing lines, the Smith method (American patent N 2292. 905) which limits the aistance between drawing points, becomes industrially feasible. even without the use of rubber rollers to secure the draw points, but the guide disclosed in the present application as a means of holding a number of web or sliver filaments will be useful, in conjunction with the Smith technique, applied to the filament for bottom of fishing line.
The invention obviously applies to tapered filaments of materials other than those mentioned here, as long as these have similar main properties.
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The invention is not limited to the treatment of filaments of the two specific polyamides indicated above. On the contrary, it can be applied to any tapered filament that can be cold drawn. Preferred polymeric filaments are polyamides of the types described in US Patents Nos. 2071250, 2071253 and 2130948. These polyamides are prepared from bifunctional reagents forming polyamides and which contain amide groups as an integral part of the main chain of atoms. in the polymer. It is not essential that the linking group in the polymer chain consist only of amide groups; can also contain other groups, for example ester groups.
There are two general types of polyamides: those derived from diamines and dicarboxylic acids or from derivatives forming dibasic carboxylic acid amides and those derived from polymerizable amino acids or their derivatives forming amides by example lactam esters. By hydrolysis with hydrochloric acid, the polyamides give reactants which generate polyamides; the polyamides of the diamine-dibasic acid type give a diamine hydrochloride and a dibasic carboxylic acid, while those of the amino acid type give an amino acid hydrochloride.
As specific examples of such polyamides, the following may be mentioned: polydecamethylene adipamide, polyhexamethylene sebacamide, polypenthamethylene sebacamide, polyoctamethylene adipamide, polymer of 6-amino-caproic acid, and polymer of 11-amino-undecanoic acid. It is also possible to use mixtures of polyamides and interpolyamides.
As examples of such inter-polyamides, there may be mentioned those derived from hexamethylene diamine, decamethylenediamine, adipic acid and sebacic acid, and from hexamethylenediamide, adipic acid and 6-aminocproic acid. As examples of polyamides containing groups other than amide groups, mention may be made of ester-amide interpolymers, such as can be obtained from a diamine, a dibasic acid and a glycol, or from an amino acid and a hydroxyl acid. For paint brushes, preferred products include superpolyamide hexamethylene sebacamide or hexamethylene adipamide alone or in admixture with from 2% to 30% (and in particular about 10%) of a phenol-formaldehyde resin.
Such products are described in the American patent application N. 397887 of the applicant.
The term "polyamide" as used in the invention includes polymers containing a number of structural groups.
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whatever the nature of the atom linked to the free bonds indicated. The term includes polymers derived from a glycol and a diisocyanate or a diisothiocyanate.
The tapered filaments according to the present invention do not necessarily consist entirely of polyamide or modified polyamide. It is frequently desirable to deluster and / or color the filaments by adding pigment to the polymer or reagents which serve to prepare the polymer. It is also useful in many cases to dye the filament, for example with nigrosine black, sudan brown, etc. Thus, fishing lines or leader lines can be colored to closely resemble the water of almost any color or turbidity by an appropriate choice of dyes or pigments. The bristles can also be of the desired color and length. For paint brushes, an element length of 10 to 50 cm is possible.
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It is obvious that the invention is especially interesting for the drawing of tapered filaments where the length of the element is short, for example a filament which can be used for brushes for painting and the like, but that it can also be used for filaments. longer taper, for example the bottom of fishing lines.
Of course, the invention is in no way limited to the embodiments described and shown.