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Appareil et procédé pour couler par extrusion à vitesse élevée et produit obtenu.
La présente invention concerne un procédé et un appareil nouveaux pour fabriquer des feuilles, des pellicules, etc., en coulant par extrusion à vitesse relativement élevée des matières synthétiques polymères. L'invention concerne en particulier la fabrication de pellicules minces très limpides en coulant par extru- sion à grande vitesse des polymères normalement solides de matières à non-saturation éthylénique, tels que des polymères thermoplasti- ques d'hydrocarbures aliphatiques monooléfiniques de bas poids molé- culaire, comprenant du polyéthylène, du polypropylène, du butène-1, ses copolymères, et des matières analogues ainsi que d'autres matiè- res thermoplastiques telles que des polymères et des copolymères de vinyles, comme le styrène, des polyamides comme le Nylon, des poly-
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mères acryliques,
des polymères cellulosiques et autres.
Pour autant qu'on le sache, les procédés d'extrusion utilises jusqu'à présent pour fabriquer des feuilles minces, des pellicules, etc., à partir de matières polymères des types précités sont limités à des vitesses d'extrusion relativement peu élevées et, par exemple, ne sont pas pratiques à des vitesses d'extrusion sensi- blement élevées telles que 400 pieds (120 m) par minute ou plus car des tentatives pour travailler à ces vitesses élevées ont donné une pellicule dont la qualité n'est pas satisfaisante et qui possède des propriétés et/ou des combinaisons de propriétés indésirables.
Par exemple, dans des procédés dans lesquels la matière polymère est extrudée sous forme d'une masse fondue à partir d'une filière à fente dans un bain d'eau de refroidissement, la vitesse d'extru- sion est limitée aux vitesses peu élevées auxquelles l'entraînement de l'eau par la surface de la nappe de matière plastique ne dépasse pas certaines limites tolérables. Un autre inconvénient de ce pro- cédé est que la vitesse critique diminue lorsque certains additifs (par exemple des agents de glissement) sont présents dans la matiè- re polymère parce que ces additifs favorisent généralement l'entrai- nement de l'eau.
Dans un autre procédé dans lequel la masse fondue est extrudée à partir d'une filière circulaire àe façon à produire une bulle qui est refroidie par un courant d'air envoyé sur la surface de la matière plastique fondue, les vitesses sont limitées aux vitesses d'extrusion relativement peu élevées et sont fonction de la vitesse de refroidissemen qu'il est possible d'obtenir à des vitesses et des températures de l'air raisonnables.
Dans d'au- tres procédés encore, dans lesquels le polymère fondu est extrudé d'une filière à fente sur un rouleau métallique poli refroidi, les vitesses sont limitées aux vitesses relativement peu élevées aux- quelles une occlusion irrégulière de l'air entre la nappe de matiè- . re plastique fondue et le rouleau ne se produit pas dans une mesure nuisible parce que cette occlusion d'air aboutit à la fabrication de feuilles et de pellicules ayant des bulles, des rides, etc. et
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ainsi de pellicules de mauvaise qualité qui ne peuvent, en outre, pas être roulées en un rouleau compact et serré. Ces difficultés sont dues principalement à l'air occlus qui empêche la pellicule de se placer à plat et en contact en substance uniforme et complet avec le rouleau.
La présente invention a pour but de procurer un procédé et un appareil pour extruder des matières polymères en des pelli- cules de qualité exceptionnelle à des vitesses d'extrusion jusqu'à présent impossibles à atteindre. L'invention a encore pour but de procurer un procédé et un appareil pour fabriquer des pellicules en ces matières, permettant d'éviter les limitations aux vitesses d'extrusion élevées rencontrées dans les procédés connus.
L'invention a enfin pour but de procurer un procédé et un appareil permettant de fabriquer des pellicules minces en des matières poly- mères thermoplastiques à des vitesses d'extrusion relativement éle- vées, ces pellicules possédant une combinaison de propriétés unique et souhaitable comprenant une résistance aux chocs et une limpidité ("transparence") élevées, une surface extrêmement lisse de finesse microscopique et des caractéristiques "d'adhérence". D'autres buts et avantages de la présente invention ressortiront de la description détaillée donnée ci-après.
Brièvement dit, l'invention se rapporte principalement à un procédé d'extrusion dans lequel une nappe plastique de la matiè- re polymère est coulée sur un rouleau rotatif refroidi, d'une façon et dans des conditions propres à empêcher une occlusion d'air entre la nappe plastique et le rouleau, ainsi qu'avec un refroidissement contrôlé efficace de la nappe, tout en réduisant au minimum ou en évitant un gaufrage de la nappe plastique de façon à obtenir une pellicule d'excellente qualité et de bonne transparence à des vi- tesses d'extrusion, pour la coulée sur des rouleaux refroidis, impossibles à atteindre jusqu'à présent.
Suivant la présente invention, une pellicule de la matiè- re polymère ext udée à l'état fondu est étirée sur la surface d'un
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rouleau rotatif refroidi comportant une surface lisse et, peu après sa première entrée en contact avec le rouleau refroidi, pendant qu'elle est encore en contact avec ce rouleau, la pellicule est en- trainée à travers une passe formée par le rouleau refroidi et un
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rouleau de pression "ì ag4qye" (tournant en sens inverse du rouleau refroidi) tandis que le rouleau de pression est maintenu mouillé d'un liquide approprié de façon à intercaler une pellicule de ce liquide entre le rouleau de pression et la surface chaude de la pellicule.
Dans un mode de réalisation particulièrement appro- prié, on entretient juste dans la passe ménagée entre la pellicule ;
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le rouleau "élastt1ue", un bain de liquide approprié, la surface de ce bain étant maintenue à un niveau qui ne dépasse en substance pas le point de contact initial de la pellicule fondue avec le rou- leau refroidi mais qui est de préférence au même niveau ou à un
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niveau mférieur à celui-ci.
Dans la mise en oeuvre d'un tel procédé,dans lequel la pellicule fondue contacte d'abord le rouleau refroidi, on a constaté qu'une occlusion d'air est empêchée entre la pellicule et le rou-
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leau refroidi par la onntact ultérieur avec le rouleau de pression de sorte que la suriade de la pellicule est posée à plat sur la surface refroidie, --et soumise à un refroidissement uniforme, et est obtenue soue tome d'une pellicule présentent un poli exceptionnel
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et une épaisseur uniform,, De plus, le support fourni 1 la pellicule posée à la% sur le rouleau refroidi permet d'éviter
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une rupture et un ballott88t de la pellicule.
On a Qonstat6 que ce procède petwet de fabriquer une pel- licule plan* et -1U¯te eottpertent d' o*ll %8 propriétés physiques d6ters,' es à des vitesses d'aUII81oa esc.,U..8l18MDt élevées qui ne 8Qli.t lisities qwe par la viteete de 'rupture à l'ita fondu du polymère çui est tradi. L'obtentian de oes rlraoltata est rendue possible par l'.til1..UOD du 1W1- de pTeMiea ' üns- tique" qui ? st plate3 de laqao à expliquer tate pfeetioa sur la pe7li cule qui traverse la passe fwMte< par le r lem ..t8Ui41l8 et par
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le rouleau de pression "élastique" de sorte que, comme on l'a consta- té, l'air ne peut être aspiré en dessous de la nappe fondue puisque celle-ci est pressée vers le bas sur le rouleau refroidi.
En main- tenant le rouleau de pression "élastique" mouillé d'un liquide approprié, par exemple en maintenant un bain de liquide comme mentionné plus haut entre le rouleau de pression élastique et la nappe plastiaue, on refroidit la nappe au préalable d'une façon déterminée avec précision en durcissant de façon transitoire la sur- face extérieure de la nappe fondue, de manière à empêcher une détérioration du brillant de la surface de la pellicule par le rou- leau élastique même aux vitesses d'extrusion exceptionnellement élevées que l'on peut obtenir gràce à la présente invention.
A cet effet, le rouleau refroidi doit avoir une surface métallique lisse et on a constaté que des rouleaux chromés parfai- tement polis conviennent particulièrement à cet effet. Cependant, des rouleaux fabriqués en d'autres matières tels que des rouleaux ayant une surface d'acier, d'aluminium, etc. lisse et parfaitement polie peuvent également être utilisés. En ce qui concerne le rouleau élastique, la surface de ce rouleau doit comprendre une matière possédant des caractéristiques d'élasticité et on peut, par exemple, utiliser des matières telles que ou caoutchouc siliconé, du néoprène, du caoutchouc naturel, du Téflon, des fibres, etc.
En ce qui concerne le liquide servant à maintenir le rouleau élastique Mouille, on peut utiliser n'importe quel li@@ide qui n'attaque pas la pellicule polymère ou qui ne réagit pas de façon à ésavantageuse avec elle et qui a un point d'ébullition suffisamment élevé pour ne pas entrer en ébullition dans les condi- tions de marche du procède utilisé. Dans la plupart des cas, l'cau convient parfaitement, ainsi que des mélanges aqueux de matières telles que de l'éthylène glycol, du diéthylène glycol, de la gly- *érine et d'autres matières.
La température du liquide utilise à cet effet, par exemple pour maintenir une masse de liquide entre le rouleau élastique et la nappe plastique, doit au cours du
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procédé être maintenue en dessous du point de fusion du polymère pour contribuer à durcir la pellicule et à éviter une déformation de la pellicule due à une turbulence de la masse de liquide si ce liquide venait à entrer en ébullition.
Suivant les particularités de l'appareil de la présente invention, cet appareil comprend deux rouleaux tournant en sens inverses, l'un des rouleaux étant un rouleau entraîné et comportant une surface métallique lisse susceptible d'être maintenue à une tem- pérature inférieure à la température de solidification du polymère extrudé et l'autre rouleau comportant une surfaceélastique, ces rouleaux étant placés l'un par rapport à l'autre de façon à former une passe, le rouleau élastique exerçant une pression à l'endroit de la passe,
un dispositif pour extruder une pellicule fondue en une matière polymère tangentiellement sur le rouleau à surface métalli- que dans le sens de rotation @@ -ce rouleau en un point situé avant la passe de façon que la pellicule fondue reste en contact avec le rouleau métallique avant de tr@ erser la passe où une pression est exercée sur la pellicule par le rouleau élastique, et un dispositif pour maintenir entre la pellicmie et le rouleau élastique une pelli- ;
ouïe de liquide qui (1) soit inerte par rapport à la pellicule, (2) mouille le rouleau élastique de façon qu'une couche mince du liquide soit constamment Intercalée entre la pellicule et le rouleau élasti- que qui tourne dans le sens Inverse du rouleau à surface métalli- que, et (3) lorsque le procédé est réalisé avec le maintien d'un bain de liquide, comme décrit, la surface du bain est maintenue à un niveau en substance non supérieur à celui du point de contact initial de la pellicule fondue avec le rouleau à surface métallique.
Le poids du bain de liquide centre la pellicule fondue amorce l'exclusion @@ l'air ce qui diminue de façon appréciable la sévérité de l'action qui autrement serait requise du roule= de pinçage élastique.
On décrira ci-après davantage l'appareil de la présenta invention, on se référant aux dessins annexés qui représentent à
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titre d'exemple une forme d'exécution spécifique de cet appareil.
Dans les dessins : la Fig. 1 est une coupe verticale d'une telle forme d'exécution; la Fig. 2 représente une forme d'exécution d'un dispositif servant à maintenir une pression désirée sur le rouleau de pression; et, la Fig. 3 est une tue en perspective d'un appareil du genre représenté sur la Fig. 1, avec une forme d'exécution plus détaillée d'un dispositif convenant pour maintenir le bain de liquide entre le rouleau élastique et la nappe plastique.
Dans ces dessins, 10 est une filière d'extrusion contenant le polymère fondu à extruder et de laquelle une pellicule fondue fraîchement extrudée 11 est étirée vers le bas tangentiellement sur un rouleau métallique parfaitement poli 12 de façon que la pelli- cule se dépose sur le rouleau métallique dans le sens de rotation de celui-ci avant de traverser la passe formée entre le rouleau métallique 12 et le rouleau de pression élastique 13 dont la surface est formée par une matière élastique et qui tourne en sens inverse du rouleau 12.
Un dispositif approprié., tel qu'un bac 14, est alimenté d'un liquide approprié par une entrée appropriée à une extrémité du bac et une sortie de liquide à son extrémité opposée de façon à maintenir suffisamment de liquide dans le bac pour per- mettre au rouleau 13 d'entraîner de l'eau dans le bain de liquide 15 afin d e maintenir du liquide entre la pellicule 11 et le rouleau 13. Un dispositif approprié tel qu'une raclette 16 est placé de façon à régler la quantité de liquide entraîné par le rouleau 13 pendant sa rotation afin d'empêcher la surface du bain 15 de monter à un niv@@@ supérieur à celui désiré.
@@ Fig.2 représente le rouleau d e pression 13 pourvu d'un dispotitif servant à appliquer la pression et, comme le montre le dessin, de dispositif comprend un levier 30 monté à pivot en 31 et commandé, de façon à appliquer une pression désirée sur le rouleau l@' au moyen du piston pneumatique 32.
La Fig. 3 représente en perspective un rouleau métallique refroidi parfaitement poli 12 dont la température de surface est
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commandée par l'introduction d'un agent de refroidissement appro- prié (par exemple de l'eau) dans le rouleau 12 via l'entrée 20 et par l'évacuation de l'eau via la sortie 21. Comme le montre le dessin, la pellicule 11 est extrudée de la filière d'extrusion 10 sur le rouleau 12, la pellicule contactant le rouleau 12 avant la passe formée avec ae rouleau élastique 13 qui exerce, sur la pelli- cule passant entre le rouleau 12 et le rouleau 13, une pression résultent du poids du rouleau lui-même) si on le désire, on peut obtenir une pression plus forte en ajoutant des poids au rouleau 13.
Pour cette forme d'exécution représentée sur la Fig. 3, le bac 14 comporte une entrée de liquide 22 et des sorties de liquide 23 et 24 servant à évacuer le liquide du bac. Des feutres fixes 25 placés de façon appropriée afin d'empocher le liquide d'être entra!- né par le rouleau métallique 12 servent d'éléments racleurs et renvoient le liquide dans le bac 14, empêchant ainsi le liquide d'arriver sur le rouleau métallique 12 dans la partie de ce dernier en contact avec la pellicule 11 parce que la présence de liquide entre la pellicule 11 et le rouleau 12 est nuisible par suite de la formation de bulles, de rides, etc., empêchant d'effectuer l'extru- sion aux vitesses élevées désirées.
La Fig. 1 représente également un rouleau fou 27 qui peut être utilisé pour supporter la pellicule lorsqu'elle a quitté le rouleau refroidi 12 et sur lequel la pelli- cule peut généralement rester Jusque ce qu'elle soit complètement refroidie et stabilisée. Cependant, si on le désire, et en parti- culier lorsqu'un refroidissement supplémentaire est nécessaire ou souhaitable, la pellicule qui quitte le rouleau refroidi 12 peut être entrainée sur un ou plusieurs rouleaux refroidis supplémentai- res avant de passer sur le rouleau fou 27.
Quoique les conditions de travail et l'appareil de la pré- sente invention puissent être modifiés en fonction du polymère particulier à extruder et des propriétés désirées de la pellicule, sur lesquelles on peut agir grâce à la souplesse de la présente invention en ce qui concerne les températures utilisées pour le
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rouleau métallique refroidi et pour le liquide mouillant le rouleau de pression, le tempe de séjour de la nappe fondue sur le rouleau métallique, etc., l'invention trouve une application particulière- ment importante dans la fabrication de pellicules ayant une épais- seur comprise dans la gamme allant d'environ 25 millièmes de pouce (0,063 mm) à environ un centième de pouce (0,25 mm), et de préfé- rence jusqu'à environ 4 millièmes de pouce (0,1 mm)
à partir de matières polymères ayant une densité comprise entre environ 0,90 et 1,70 qui foiident à des températures comprises entre 150 et 250 F (66 et 121 C). Des polymères inclus dans ces matières sont des polyéthylènes, des polypropylènes, des copolymères de chlorure de vinylidine, certains nylons, etc., un exemple plus spécifique étant un polyéthylène ayant une densité moyenne de 0,93 et un point de fusion d'environ215 F (101, 5 C) . Pour des polymères ayant ces propriétés, la technique de la présente invention permet d'extruder une pellicule à des vitesses dépassant 700 pieds/minute (210 m/min.) qui, pour antant qu'on le sache,
sont largemant supérieures à n'importe quelle vitesse que l'on pouvait atteindre avec les pro- cédés d'extrusion utilisés jusqu'à présent sans que la pellicule soit de mauvaise qualité par suite surtout d'une occlusion de l'air et d'un gaufrage de la pellicule. De plus, même à ces vitesses d'extrusion élevées, la souplesse de la présente invention est telle que les conditions de marche peuvent être modifiées sans limiter les vitesses d'extrusion ce qui permet de réaliser des pellicules ayant différentes propriétés, comme on le désire, à partir du même polymère.
A titre d'exemple également des vitesses d'extrusion exceptionnellement élevées rendues possibles par la présente in- vention, on a fabriqué une pellicule de polyéthylène de limpidité ("transparence") exceptionnelle et de résistance aux chocs élevée à la vitesse d'au moins 720 pieds/minute (216 m/min.) en utilisant les conditions et l'appareil suivants. Il est cependant clair que ces conditions et ces éléments ne sont donnés qu'à titre
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d'exemple de formes d'exécution spécifiques de l'invention qui n'y est aucunement limitée.
Propriétés du polyéthylène = Densité de 0 91 à 0,96 Point de fusion 2000 à 265 F (93 à 129 C) Filière d'extrusion = Longueur 34 pouces (86 cm)
Largeur de l'orifice 32 pouces (81 cm) Température du polymère dans = 325 F (162,5 C) l'extrudeur Température de la masse fondue = 310 F (154 C) sortant de l'orifice de la filière Epaisseur de la pellicule 0,001 pouce (0,025 mm) fondue pendant l'étirage vers le bas Distance d'étirage vers le = 2 à 8 pouces (5 à 20 cm) bas à partir de l'orifice de l'extrudeur jusqu'au rouleau métallique Rouleau refroidi Rouleau chromé parfaitement poli de 8 pouces (20 cm) de diamètre et de 48 pouces (122 cm) de longueur Rouleau élastique Rouleau revêtu de caoutchouc siliconé, de 4 pouces (10 cm)
de diamètre Température du rouleau métallique Température de surface main- tenue en dessous d'environ
190 F (88 C) par une intro- duction déterminée d'eau à
60 - 170 F (15,6 - 76,7 C) dans le rouleau métallique Pression exercée par le rouleau 5 à 50 livres/pouce (2,27 à de pression 28,7 kg/2,5 cm) Température du liquide (eau) 60 à 180 F (15,6 à 82 C) dans le bac Hauteur (distance verticale) du Maintenue à 1-1,5 pouce bain de liquide entre le rouleau (2,5 à 3,8 cm) élastique et la pellicule Angle de passage de la masse = 15 fondue de l'extrudeur au rouleau métallique (angle formé entre la pellicule fondue et une perpendiculaire tracée à partir de l'orifice de la filière) Distance verticale entre la passe = 1/2 à 8 pouces (1,27 à 20,
3 et 1@ niveau auquel la pellicule cm), de préférence 1,5à 3 concacte initialement le rouleau pouces (3,8 à 7,6 cm) métallique
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Dans des conditions comparables, mais sans le rouleau de pression élastique et le bain d'eau maintenu entre le rouleau et la pellicule, on ne peut pas atteindre des vitesses d'extrusion de 300 pieds minute (90 m min.) sans produire une pellicule de mauvaise qualité par suite d'une occlusion d'air entre le rouleau refroidi et la pellicule;
et, dans des conditions comparables, mais sans le bain d'eau entre le rouleau de pression et la pellicule, il est non seulement impossible d'atteindre des vitesses d'extrusion de l'or- dre de celles atteintes par la présente invention mais le rouleau de pression abîme la surface de la pellicule de sorte qu'on obtient une pellicule dont les caractéristiques de transparence sont infé- rieures à celles que l'on désire obtenir.
En ce qui concerne le rouleau de pression, ce rouleau peut, si on le désire, être entraîné et dans ce cas il est préféra- ble qu'il soit entraîné en rotation à une vitesse périphérique légèrement inférieure à celle du rouleau métallique refroidi. Cepen- dant, dans une forme d'exécution préférée, le rouleau de pression n'est pas entraîné mais tourne par le frottement de la pellicule parce qu'on obtient ainsi une légère résistance qui sert à contri- buer à empêcher une occlusion d'air sur et au-dessus de la pression exercée sur la pellicule par le rouleau de pression élastique.
De plus, et si on le désire, le rouleau de pression peut être refroidi par exemple par un refroidissement intérieur assuré par un passage de l'eau de refroidissement à travers le rouleau, afin de contribuer à maintenir le bain de liquide en dessous du point d'ébullition de ce liquide.
Dans la mise en pratique de la présente invention, on a constaté que l'on obtient des avantages matériels et marqués en utilisant un rouleau de pression élastique fonctionnant avec un liquide approprié maintenu entre la pellicule et le rouleau de pres- sion comme trit plus haut. On a constaté, et cette constatation a une très grande importance, qu'en utilisant le rouleau de pression, on élimine une occlusion d'air nuisible entre la nappe chaude et
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le rouleau métallique refroidi et on empêche ainsi la formation de plis, de rides ou de bulles dans la pellicule ou la feuille.
En utilisant la combinaison du rouleau métallique refroidi, du rouleau de pression élastique et d'un liquide approprié entre le rouleau de pression et la nappe chaude, on obtient un autre avantage matériel résidant dans le fait que la pellicule a une limpidité ou transpa- rence excellente parce que le liquide sert à empêcher un gaufrage de la pellicule par la surface de la matière élastique du rouleau de pression même aux vitesses d'extrusion extrêmement élevées de l'ap- pareil de la présente invention.
De plus, en utilisant un bain de liquide, comme décrit plus haut, le poids du liquide exerçant une pression sur la pellicule chaude supportée par le rouleau refroidi contribue également à empêcher une collusion d'air entre le rouleau refroidi et la pellicule et sert en outre à distinguer la présente invention des procédés connus dans lesquels l'extrusion est réalisée en faisant passer verticalement une pellicule fondue à travers la passe formée entre deux rouleaux métalliques tournant en sons inverses, un bain d'eau étant maintenu de chaque coté de la pelli- cule dans la nappe.
Cogérée à un tel procédé dans lequel la pelli- cule fondue vient d'abord en contact avec l'eau, la présente inven- tion dans laquelle la nappe chaude vient d'abord en contact avec le rouleau refroidi assure une meilleure maîtrise du refroidissement de la pellicule et permet d'obtenir des vitesses d'extrusion élevées en restant maître des propriétés physiques de la pellicule par rapport à différentes propriétés que l'en peut désirar obtenir à partir du même polymère.
En ce qui concerne également certaines parti@ularités de l'appareil de la présente inventif il est clair que l'on peut utiliser des dispositifs autres que ceux décrits de façon spécifi- que pour maintenir un bain de liquide entre le rouleen de pression et la pellicule, pour commander le niveen de la surface du bain de liquide, pour refroidir la roule métallique. pour ..,coller l'entraînement du liquida par le rouleen métallique reffoidi, et
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pour des raisons analogues et que ces variantes rentrent dans le cadre de l'invention.
Quoique certaines formes d'exécution de l'invention aient été décrites de façon détaillée avec référence aux dessins annexés, il est clair qu'elle n'y est pas limita mils que de nombreux chan- gements et modifications peuvent y être apportés sans sortir de son cadre.
REVENDICATIONS.
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1.- Procédé pour couler par extrusion des polymères themc plastiques, caractérisé en ce qu'on extrade une pellicule fondue d'un polymère thermoplastique normalement solide sur un rouleau rotatif refroidi maintenu à une température inférieure à la tempé- rature de solidification du polymère et on fait passer la pellicule, pendant qu'elle est supportée sur le rouleau rotatif, à travers une passe formée entre le rouleau et un rouleau de pression tournant en sens inverse et comportant une surface élastique, ce rouleau de pression exerçant sur la pellicule, à l'endroit de la passe une pres sion suffisante pour empêcher une occlusion d'air entre le rauleau refroidi et le rouleau de pression tout en maintenant entre le rouleau de pression et la pellicule, à l'endroit de la passe,
un liquide inerte par rapport au polymère.
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Apparatus and method for high speed extrusion casting and product obtained.
The present invention relates to a novel method and apparatus for making sheets, films, etc., by relatively high speed extrusion casting of polymeric plastics. In particular, the invention relates to the manufacture of very clear thin films by high speed extrusion casting of normally solid polymers of ethylenically unsaturated materials, such as thermoplastic polymers of low molecular weight monoolefinic aliphatic hydrocarbons. - cular, comprising polyethylene, polypropylene, butene-1, its copolymers, and similar materials as well as other thermoplastic materials such as polymers and copolymers of vinyls, such as styrene, polyamides such as nylon , poly-
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acrylic mothers,
cellulosic polymers and the like.
As far as is known, the extrusion processes heretofore used for making thin sheets, films, etc. from polymeric materials of the above types are limited to relatively low extrusion rates and , for example, are impractical at significantly high extrusion speeds such as 400 feet (120 m) per minute or more because attempts to work at these high speeds have resulted in poor film quality. satisfactory and which has undesirable properties and / or combinations of properties.
For example, in processes in which the polymeric material is extruded as a melt from a slot die in a cooling water bath, the extrusion rate is limited to low rates. to which the entrainment of water by the surface of the plastic web does not exceed certain tolerable limits. Another disadvantage of this process is that the critical speed decreases when certain additives (eg, slip agents) are present in the polymeric material because these additives generally promote the entrainment of water.
In another process in which the melt is extruded from a circular die to produce a bubble which is cooled by a stream of air blown over the surface of the molten plastic, the speeds are limited to the speeds of. Extrusion rates are relatively low and are a function of the cooling rate achievable at reasonable air speeds and temperatures.
In still other processes, in which the molten polymer is extruded from a slot die onto a cooled polished metal roll, the rates are limited to the relatively low rates at which irregular occlusion of air between the die. tablecloth of matiè-. The plastic melt and roll does not occur to a detrimental extent because this air occlusion results in the production of sheets and films having bubbles, wrinkles, etc. and
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thus poor quality film which furthermore cannot be rolled into a compact and tight roll. These difficulties are mainly due to the entrained air which prevents the film from lying flat and in substantially uniform and complete contact with the roll.
It is the object of the present invention to provide a method and apparatus for extruding polymeric materials into films of exceptional quality at extrusion rates heretofore unattainable. A further object of the invention is to provide a method and an apparatus for manufacturing films of these materials, making it possible to avoid the limitations to the high extrusion speeds encountered in the known methods.
A further object of the invention is to provide a process and apparatus for making thin films of thermoplastic polymeric materials at relatively high extrusion rates, which films possessing a unique and desirable combination of properties including high extrusion rates. High impact resistance and clarity ("transparency"), an extremely smooth surface with microscopic fineness and "grip" characteristics. Other objects and advantages of the present invention will emerge from the detailed description given below.
Briefly said, the invention relates primarily to an extrusion process in which a plastic web of the polymeric material is cast onto a cooled rotating roller in a manner and under conditions such as to prevent air entrapment. between the plastic web and the roll, as well as with efficient controlled cooling of the web, while minimizing or avoiding embossing of the plastic web so as to obtain a film of excellent quality and good transparency at low temperatures. Extrusion speeds, for casting on cooled rolls, hitherto impossible to achieve.
In accordance with the present invention, a film of the melt-extruded polymeric material is stretched over the surface of a film.
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A cooled rotating roll having a smooth surface and, shortly after its first contact with the cooled roll, while still in contact with that roll, the film is drawn through a pass formed by the cooled roll and a
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pressure roller "ì ag4qye" (rotating in the opposite direction of the cooled roller) while the pressure roller is kept wet with a suitable liquid so as to interpose a film of this liquid between the pressure roller and the hot surface of the film.
In a particularly suitable embodiment, one maintains just in the pass formed between the film;
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the "elastic" roll means a suitable liquid bath, the surface of this bath being maintained at a level which does not substantially exceed the point of initial contact of the molten film with the cooled roll but which is preferably at the same level. level or at a
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lower level than this.
In carrying out such a method, in which the molten film first contacts the cooled roll, it has been found that air occlusion is prevented between the film and the roller.
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the water cooled by the subsequent onntact with the pressure roller so that the overlay of the film is laid flat on the cooled surface, --and subjected to uniform cooling, and is obtained in a film having an exceptional polish
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and a uniform thickness ,, In addition, the support provided 1 the film applied to the% on the cooled roll avoids
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a break and a toss of the film.
It has been observed that this procedure can produce a plane film * and -1U¯te eottpertent of o * ll% 8 deleterious physical properties, at high speeds of aUII81oa esc., U..8118MDt which do not 8Qli.t lisities qwe by the speed of rupture with the molten ita of the polymer which is tradi. Obtentian de oes rlraoltata is made possible by the.til1..UOD of 1W1- of pTeMiea 'üns- tique' which? St plate3 of laqao to explain tate pfeetioa on the pe7li cule which crosses the pass fwMte <by the r lem ..t8Ui41l8 and by
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the pressure roll "elastic" so that, as has been seen, air cannot be sucked under the molten web since the molten web is pressed down onto the cooled roll.
By keeping the "elastic" pressure roll wetted with a suitable liquid, for example by maintaining a liquid bath as mentioned above between the elastic pressure roll and the plastic web, the web is pre-cooled with precisely determined by transiently hardening the outer surface of the molten web, so as to prevent deterioration of the gloss of the film surface by the elastic roll even at exceptionally high extrusion speeds as the film surface. can be obtained thanks to the present invention.
For this the cooled roll should have a smooth metallic surface and it has been found that perfectly polished chrome rolls are particularly suitable for this purpose. However, rollers made of other materials such as rolls having a surface of steel, aluminum, etc. smooth and perfectly polished can also be used. With regard to the elastic roller, the surface of this roller should comprise a material having elastic characteristics and, for example, materials such as or silicone rubber, neoprene, natural rubber, Teflon, rubber, or fibers, etc.
As to the liquid for keeping the elastic roll wet, any liquid can be used which does not attack the polymeric film or which does not react disadvantageously with it and which has a weak point. boiling high enough not to come to a boil under the operating conditions of the process used. In most cases water is suitable, as well as aqueous mixtures of materials such as ethylene glycol, diethylene glycol, glycerin and other materials.
The temperature of the liquid used for this purpose, for example to maintain a mass of liquid between the elastic roller and the plastic sheet, must during the
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process be maintained below the melting point of the polymer to help harden the film and prevent deformation of the film due to turbulence of the mass of liquid if that liquid were to boil.
According to the features of the apparatus of the present invention, this apparatus comprises two rollers rotating in opposite directions, one of the rollers being a driven roller and having a smooth metallic surface capable of being maintained at a temperature below the temperature. solidification temperature of the extruded polymer and the other roll comprising an elastic surface, these rollers being placed relative to each other so as to form a pass, the elastic roll exerting pressure at the location of the pass,
a device for extruding a molten film of polymeric material tangentially onto the metal-surfaced roll in the direction of rotation at a point before the pass so that the molten film remains in contact with the metal roll before passing through the pass where pressure is exerted on the film by the elastic roll, and a device for maintaining between the film and the elastic roll a film;
liquid outlet which (1) is inert with respect to the film, (2) wets the elastic roller so that a thin layer of the liquid is constantly interposed between the film and the elastic roller which rotates in the reverse direction. roller with a metal surface, and (3) when the process is carried out with the maintenance of a liquid bath, as described, the surface of the bath is maintained at a level substantially not higher than that of the initial contact point of the film melted with the metal surface roller.
The weight of the liquid bath centers the molten film initiates exclusion of the air which appreciably decreases the severity of the action which would otherwise be required of the spring pinch roll.
The apparatus of the present invention will be further described hereinafter, with reference to the accompanying drawings which show in
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by way of example a specific embodiment of this device.
In the drawings: FIG. 1 is a vertical section of such an embodiment; Fig. 2 shows an embodiment of a device for maintaining a desired pressure on the pressure roller; and, FIG. 3 is a perspective view of an apparatus of the type shown in FIG. 1, with a more detailed embodiment of a device suitable for maintaining the liquid bath between the elastic roll and the plastic sheet.
In these drawings, 10 is an extrusion die containing the molten polymer to be extruded and from which a freshly extruded molten film 11 is stretched downwardly tangentially over a perfectly polished metal roll 12 so that the film is deposited on the film. metal roller in the direction of rotation thereof before passing through the pass formed between the metal roller 12 and the elastic pressure roller 13, the surface of which is formed by an elastic material and which rotates in the opposite direction of the roller 12.
A suitable device, such as a trough 14, is supplied with a suitable liquid through a suitable inlet at one end of the trough and a liquid outlet at its opposite end so as to maintain sufficient liquid in the trough to per- roll 13 to entrain water into the liquid bath 15 in order to maintain liquid between the film 11 and the roller 13. A suitable device such as a squeegee 16 is placed so as to regulate the quantity of liquid driven by the roller 13 during its rotation in order to prevent the surface of the bath 15 from rising to a higher level than desired.
@@ Fig.2 shows the pressure roller 13 provided with a device for applying the pressure and, as shown in the drawing, the device comprises a lever 30 pivotally mounted at 31 and controlled, so as to apply a desired pressure on the roller l @ 'by means of the pneumatic piston 32.
Fig. 3 shows in perspective a perfectly polished cooled metal roll 12, the surface temperature of which is
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controlled by the introduction of a suitable coolant (eg water) into the roller 12 via the inlet 20 and by the discharge of the water via the outlet 21. As shown in the drawing , the film 11 is extruded from the extrusion die 10 onto the roll 12, the film contacting the roll 12 before the pass formed with an elastic roll 13 which exerts, on the film passing between the roll 12 and the roll 13 , pressure results from the weight of the roll itself) if desired, greater pressure can be obtained by adding weights to the roll 13.
For this embodiment shown in FIG. 3, the tank 14 has a liquid inlet 22 and liquid outlets 23 and 24 serving to evacuate the liquid from the tank. Fixed felts 25 suitably placed to prevent liquid from being drawn in by metal roll 12 serve as scraper elements and return liquid to tank 14, thus preventing liquid from reaching the roll. metal 12 in the part of the latter in contact with the film 11 because the presence of liquid between the film 11 and the roller 12 is harmful due to the formation of bubbles, wrinkles, etc. extrusion at the desired high speeds.
Fig. 1 also shows an idle roll 27 which can be used to support the film as it has left the cooled roll 12 and on which the film can generally remain until it is completely cooled and stabilized. However, if desired, and particularly when further cooling is needed or desirable, the film leaving the cooled roll 12 may be drawn over one or more additional cooled rolls before passing over the idle roll 27. .
Although the working conditions and apparatus of the present invention can be varied depending on the particular polymer to be extruded and the desired properties of the film, which can be acted upon by the flexibility of the present invention in regard to. the temperatures used for
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cooled metal roll and for the liquid wetting the pressure roll, the residence time of the molten web on the metal roll, etc., the invention finds particularly important application in the manufacture of films having a thickness included in the range of from about 25 thousandths of an inch (0.063 mm) to about one hundredth of an inch (0.25 mm), and preferably up to about 4 thousandths of an inch (0.1 mm)
from polymeric materials having a specific gravity of between about 0.90 and 1.70 which will resist at temperatures between 150 and 250 F (66 and 121 C). Polymers included in these materials are polyethylenes, polypropylenes, copolymers of vinylidine chloride, certain nylons, etc., a more specific example being polyethylene having an average density of 0.93 and a melting point of about 215 F (101.5C). For polymers having these properties, the technique of the present invention allows a film to be extruded at speeds in excess of 700 feet / minute (210 m / min.) Which, so far as is known,
are much better than any speed that could be achieved with the extrusion processes used heretofore without the film being of poor quality mainly due to air occlusion and an embossing of the film. In addition, even at these high extrusion speeds, the flexibility of the present invention is such that the operating conditions can be changed without limiting the extrusion speeds thereby making it possible to produce films having different properties, as desired. , from the same polymer.
Also by way of example of the exceptionally high extrusion speeds made possible by the present invention, a polyethylene film of exceptional clarity ("transparency") and high impact resistance was manufactured at the rate of at least. 720 feet / minute (216 m / min.) Using the following conditions and apparatus. It is however clear that these conditions and these elements are only given as
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example of specific embodiments of the invention which is in no way limited thereto.
Polyethylene Properties = Density 0 91 to 0.96 Melting Point 2000 to 265 F (93 to 129 C) Extrusion die = Length 34 inches (86 cm)
Orifice width 32 inches (81 cm) Polymer temperature in = 325 F (162.5 C) the extruder Melt temperature = 310 F (154 C) exiting the die orifice Thickness of the 0.001 inch (0.025 mm) film melted during down stretching Distance of down stretch = 2 to 8 inches (5 to 20 cm) down from extruder port to metal roll Cooled roll Perfectly polished chrome roller 8 inches (20 cm) in diameter and 48 inches (122 cm) in length Elastic roller Silicone rubber coated roller, 4 inches (10 cm)
diameter Metal roller temperature Surface temperature maintained below approx.
190 F (88 C) by a determined intro- duction of water to
60 - 170 F (15.6 - 76.7 C) in the metal roller Pressure exerted by the roller 5 to 50 lbs / inch (2.27 to 28.7 kg / 2.5 cm pressure) Liquid temperature ( water) 60 to 180 F (15.6 to 82 C) in the tray Height (vertical distance) of Maintained 1-1.5 inch liquid bath between the elastic roller (2.5 to 3.8 cm) and the film Angle of passage of mass = 15 melted from extruder to metal roller (angle formed between the melted film and a perpendicular drawn from the orifice of the die) Vertical distance between the pass = 1/2 to 8 inches (1.27 to 20,
3 and 1 @ level at which the film cm), preferably 1.5 to 3 initially compacts the metal inch (3.8 to 7.6 cm) roll
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Under comparable conditions, but without the elastic pressure roll and water bath maintained between the roll and the film, extrusion speeds of 300 feet per minute (90 m min) cannot be achieved without producing a film. poor quality due to air entrapment between the cooled roll and the film;
and, under comparable conditions, but without the water bath between the pressure roller and the film, it is not only impossible to achieve extrusion speeds of the order of those achieved by the present invention but the pressure roller damages the surface of the film so that a film is obtained whose transparency characteristics are inferior to those desired.
With regard to the pressure roller, this roller may, if desired, be driven and in this case it is preferable that it be driven in rotation at a peripheral speed slightly lower than that of the cooled metal roller. However, in a preferred embodiment the pressure roller is not driven but rotates by the friction of the film because a slight resistance is thus obtained which serves to help prevent occlusion of the film. air on and above the pressure exerted on the film by the elastic pressure roller.
In addition, and if desired, the pressure roller can be cooled, for example by internal cooling provided by passing cooling water through the roller, in order to help keep the liquid bath below the point. of this liquid to boil.
In the practice of the present invention, it has been found that substantial material advantages are obtained by using an elastic pressure roller operated with a suitable liquid held between the film and the pressure roller as above. . It has been found, and this finding is of great importance, that by using the pressure roller, a harmful air occlusion between the hot web and
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the metal roll cools and the formation of wrinkles, wrinkles or bubbles in the film or sheet is thus prevented.
By using the combination of the cooled metal roll, the elastic pressure roll and a suitable liquid between the pressure roll and the hot web, a further material advantage is obtained which is that the film has a clarity or transparency. excellent because the liquid serves to prevent embossing of the film by the surface of the elastic material of the pressure roll even at the extremely high extrusion speeds of the apparatus of the present invention.
In addition, by using a liquid bath, as described above, the weight of the liquid exerting pressure on the hot film supported by the cooled roll also helps to prevent air collusion between the cooled roll and the film and serves as a besides distinguishing the present invention from the known processes in which the extrusion is carried out by passing a molten film vertically through the pass formed between two metal rollers rotating in opposite tones, a water bath being maintained on each side of the pelli - cule in the tablecloth.
Co-managed with such a process in which the molten film first comes into contact with water, the present invention in which the hot web first comes into contact with the cooled roll provides better control of the cooling of the film. the film and allows high extrusion speeds to be obtained while remaining in control of the physical properties of the film with respect to different properties that may be obtained from the same polymer.
With regard also to certain features of the apparatus of the present invention it is clear that devices other than those specifically described can be used to maintain a liquid bath between the pressure roller and the pressure roller. film, to control the niveen of the surface of the liquid bath, to cool the metal roll. for .., paste the entrainment of the liquida by the reffoidi metallic roller, and
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for similar reasons and that these variants come within the scope of the invention.
Although certain embodiments of the invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings, it is clear that it is not limited thereto that numerous changes and modifications can be made without departing from its frame.
CLAIMS.
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1. A process for the extrusion casting of thermoplastic polymers, characterized in that a molten film of a normally solid thermoplastic polymer is extruded on a cooled rotating roll maintained at a temperature below the solidification temperature of the polymer and the film is passed, while it is supported on the rotating roller, through a pass formed between the roller and a pressure roller rotating in the opposite direction and having an elastic surface, this pressure roller exerting on the film, to the place of the pass sufficient pressure to prevent air occlusion between the cooled strip and the pressure roller while maintaining between the pressure roller and the film, at the site of the pass,
a liquid inert to the polymer.