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"Procédé et appareil permettant de donner une orientation biaxiale aux pellicules de polymère synthétique".
La présente invention concerne des pellicules et feuilles formées de matière polymère synthétique thermoplastique et, plus particulièrement , vise à communiquer une orientation biaxiale aux pellicules de ce type.
L'orientation biaxiale de pellicules de polymère est en général obtenue par un ou deux procédés ou techniques d'orientation, qui peuvent être décrits comme des procédés de fabrication à partir de tubes et procédés de fabrication à plat.
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Le procédé tubulaire a acquis une plus grande importance technique du fait de la simplicité du travail. Le proéédé à partir de tubes donne moins de'déchets, comparé au procédé de fabrication à plat. A ce dernier point de vue, le procédé de fabrication à plat qui utilise des tendeuru type à cadre exige une bordure importante du fait des dommages provoqués par les pinces utilisées par les tendeurs.
Dans le passé, le procédé d'orientation à partir de tubes était en général réalisé sur un mandrin gazeux qui est en réalité un volume d'air captif ou d'autres gaz, sur lequel on fait avancer le tube ou pellicule à la température convenable et c'est au cours de ce mouvement que se produit l'allongement ou étirage longitudinal ou dans le sens du travail transversal de la pellicule. Il faut notr que cette même technique est utilisée dans ce qu'on appelle communément l'extrusion par soufflage et qu'il n'y a pas nécessairement d'orientation biaxiale dans les pellicules de polymère soumises à cette ex- trusion, sauf si l'étirage se produit incidemment à une tempé- rature qui facilite l'obtention de l'orientation.
En réalité, dans la plupart des cas, le tube, pellicule ou plaque est main- tenu au cours de l'extrusion avec soufflabe ou voisinage de la température d'extrusion qui, pour certains matériaux est bien supérieure à la température à laquelle on peut réaliser avec succès l'orientation. Comme résultat, il y a diminution de l'épaisseur de la pellicule et de la pression arrière dans l'extrudeuse, mais il n'y a pas orientation et amélioration. des propriétés physiques qui en résultent.
En dehors de ce qui est indiqué ci-dessus, la technique d'orientation à partir de tubes, en utilisant un mandrin gazeux, a été réalisée de façon tout à fait satisfai- sante pour provoquer l'orientation de certains matériaux poly- mères. Au contraire, on a obtenu - de façon moins satisfai- sante - une orientation biaxiale dans les matériaux polymère
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tels que polystyrène. La pression interne du fait des bulles
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f .v iiJ' :<;#-'# , " #' ''/' .- V ' ;¯sde7fgaz provoque,un agrandissement au point de 'moindre résis- i tance, c'est-à-dire au voisinage, de la ,, 'oÙ sort le ..." ....f1 '"..(i $"''';:'';- tubede polystyrène où la températureest très élevée et la viscosité du polymère la plus basse.
Avec le polystyrène, la pellicule résultante est faible et, en particulier, suscepti- ble de¯subir des déchirures dans le sens de la fabrication
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;/'. ';, ft ,0:. 5 y ,.... #'# dans la machine et, en général, elle est de qualité inférieure.
En conséquence, et en dépit des inconvénients inhérents au procédé à plat, les pellicules de polystyrène sont en. général orientées par ce procédé.
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En conséquence, fï;1 invention a pour principal objet de fournir des dispositifs pour l'étirage, grâce auxquels on peut provoquer et, en plus, maintenir l'orientation biaxiale dans les pellicules consituées de polymères synthétiques en utilisant les techniques d'étirage à partir de tubes.
L'invention a encore pour objet de fournir des pelli- cules de matière polymère, présentant des propriétés amélio- rées de résistance et d'apparence, le résultat ayant été obte- nu par orientation biaxiale suivant des techniques d'étirage à partir de tubes.
D'autres objets de l'invention apparaîtront au cours de la description ci-après.
Ces objets et d'autres peuvent être obtenus dans un appareillage destiné à provoquer l'orientation biaxiale dans une pièce de forme tubulaire, en matière polymère synthétique, thermoplastique, l'appareillage comprenant un mandrin de construction rigide, disposé en un point intermédiaire entre l'orifice d'une matrice d'extrusion annulaire et des dispositifs d'enlèvement, le mandrin étant pourvu :
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(a) - extérieurement, d'une extrémité conique longi- tudinalement, de section continue, et (b) - à l'intérieur des zones de réglage de tempé- rature, les zones comprenant une zone de chauffage placée à l'intérieur de la pointe conique, de façon à communiquer à la pièce une température supérieure à la température de transition vitreuse de la matière plastique et une zone de refroidissement située après la zone de chauffage, de façon à communiquer à la pièce une température inférieure à la température de transition vitreuse de la matière thermoplastique.
Sur le dessin annexé, on a illustré différents modes de mise en oeuvre de l'invention : - la fig. 1 est vue en élévation, avec arrachements illustrant de façon schématique un mode de mise en oeuvre, de l'invention; - la fig. 2 est une vue en élévation arrière, par- tielle, avec arrachement, illustrant de façon schématique le même moce de mise en oeuvre que sur la fig. 1 ; - la fige 3 est une représentation schématique, en coupe, et avec arrachement partiel, illustrant de façon parti- culière un mandrin et une combinaison de tête de filière que l'on peut utiliser pour la mise en pratique de l'invention ;
- la fig. 4 est une représentation schématique, en section et avec arrachement partiel, montrant un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention du mandrin que l'on peut utiliser dans la mise en pratique de l'invention.
En se référant au dessin annexé où les mêmes réfé- rences désignent les mêmes pièces et d'abord aux fige 1 à 3, on voit un appareil 10 pour communiquer une orientation bia- xiale en liaison avec une pièce 12 tubulaire de matière poly-
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mère synthétique, celle-ci étant destinée à être orientée biaxialement lorsqu'elle s'avance dans l'appareil.
Plus particulièrement, on voit une tête d'extrusion
14, le reste de l'extrudeuse qui présente un orifice de filiè- re annulaire 16, défini entre un boîtier de tête d'extrusion
18 et un noyau d'extrusion 20 à travers lequel on extrude la pièce tubulaire 12. Cette disposition est en parti sentée sur la fig. 3. Ensuite, on provoque l'étirage de la pièce tubulaire 12 sur l'extérieur du mandrin 22.
Le mandrin 22 est représenté en position au-dessus et dans l'axe de l'orifice de filière 16. Cet alignement pré- féré peut être réalisé de la manière représentée, en particu- lier sur la fig. 3, à savoir : prévoir un mandrin 22 avec pro- longement 24 de fixation, représenté sous forme cylindrique, i qui convient pour être introduit dans la partie terminant le noyau de filière 20.
Le mandrin 22 est pourvu d'un prolongement conique
26 se tartinant dans la direction de l'avance sous forme de projection 24. L'effet obtenu sur l'extrémité 26 est celle d'un cône tronqué. L'extrémité avancée 26 du mandrin 22 présente, extérieurement, une courbe continue, vue en section. A ce point de vue, la courbure contribue à former une courbe péri- phérique ou profil définissant un cercle, mais peut aussi définir d'autres formes elliptiques.
L'extrémité 26 forme le point où se produit l'orien- tation aussi bien longitudinale que latérale du tube 12. La portion arrière 28 du mandrin 22 qui est contiguë ou en arrière du prolongement 26, précédemment décrit est, en compa- raison, de diamètre constant et agit comme point où l'orien- tation biaxiale amorcée est rendue permanente par trempe ou refroidissement du tube 12.
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A l'intérieur , le mandrin 22 est pourvu de plusieurs zones de réglage de température, à savoir zone de chauffage 30 et zone de refroidissement 32 représentée sur la fig. 3. La zone de chauffage 30 est disposée à l'intérieur de l'extrémité conique 26. Cette réalisation est dessinée de façon à prévoir ou maintenir et transmettre la température dans la pièce tubu- laire 12 à laquelle l'orientation biaxiale peut être communi- quée avec l'étirage simultané de la pièce tubulaire 12. Une conduite debout 34, reliée à une source non représentée de fluide chauffé sert à amener le fluide chauffé dans la zone de chauffage 30. Un tuyau d'évacuation 36 est installé dans le but de réaliser un système de fluide chauffant continu, en circulation.
Pour que la zone de refroidissement 32, placée après la zone de chauffage précédemment décrite, en réalité vers le haut, puisse être alimentée en continu en agent de re- froidissement fluide à la température désirée, on utilise un tuyau d'alimentation 38 et un tuyau d'évacuation 40, les deux étant reliés à une source d'agent de refroidissement utilisé.
La zone de refroidissement 32 peut être agrandie pour prévoir des parties vides, 42 si on le désire.
Dans le mode de mise en oeuvre représenté sur la fig.
3 le mandrin 22 est représenté pourvu d'une section 43 placée à l'avant de l'extrémité 26 ou bien se trouve juxtaposée entre celle-ci et le prolongement de fixation 24. Ce mode de mise en oeuvre préféré est représenté sous forme intégrée sur cette figure, tandis qu'une autre forme du même dispositif est représentée sur la fig. 4 et sera décrite en détail plus loin.
L'intérieur de la section 43 et l'intérieur du prolongement de fixation 24 sont divisés pour former une zone d'isolation 44 communiquant par un tuyau 46 avec une source d'air ou autres gaz sous pression, non représentés, Ceci est prévu pour f onc- tionner en général au démarrage et ensuite sert à réduire au
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minimum le transfert de chaleur et le refroidissement résul- tant de la matrice 16, ce qui affecterait de façon défavorable le produit et sa fabrication. En outre, en prévoyant une recirculation non représentée, la température de l'air à tra- vers la zone d'isolation 44 peut être réglée, chauffée ou refroidie comme les conditions l'imposent.
Pour faire avancer le tube 12 à une vitesse prédé- terminée sur le mandrin 22, on a prévu des dispositifs d'enlè- vement qui sont représentés sous forme de rouleaux pinceurs 50 et 52, suivis d'un jeu de poulies de tension 54,56 et 58, et finalement, un rouleau d'enrouleur 60, ce dernier étant prévu avec un moteur d'entraînement ou autre source de puissance non représentée.
Le mandrin 22 est disposé intermédiaire, suivant le procédé, entre un orifice 16 de filière annulaire, plus généra- lement l'extrudeur 14, et les dispositifs d'enlèvement que l'on vient de décrire. Un dispositif pour fendre la pellicule, plus particulièrement un couteau 62 est représenté placé à l'extrémité suivante (ou supérieure du mandrin 22), de telle sorte que le tube 12, immédiatement après avoir quitté le mandrin 22, puisse être fendu et permette d'obtenir l'avance à travers les différents éléments des dispositifs d'enlèvement sous forme d'une feuille de simple largeur. Ceci empêche les faux-plis qui se produiraient autrement si la pellicule était dirigée à travers les dispositifs de prise sous forme tubulaire.
La fige 4 illustre un deuxième mode de réalisation d'un mandrin que l'on peut utiliser suivant l'invention. Ce mandrin portant la référence 122 est d'abord prévu pour réaliser les fonctions remarquables du mandrin représenté sur la fig. 3,
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c'est-à-dire provoquer une orientation efficace et une zone de refroidissement pour la pièce tubulaire 12 lors de sa pro- gression sur le mandrin.
De la même façon, le mandrin 122 est prévu avec un prolongement de fixation 124, une extrémité conique 126 et, en arrière ou au-dessus de celui-ci, une section de fixation de l'orientation ou de trempe 128. Une zone de chauffage 130 est placée à l'intérieur de-l'extrémité conique 126 et, après celle-ci, une zone de refroidissement 132 est ménagée à l'in- térieur et parallèlement, en position longitudinale, à la section de fixation de l'orientation 128. L'entrée du fluide chauffé dans la zone de chauffage 130 est facilitée par un tuyau 136, tandis que l'évacuation hors de la zone de chauffage
130 se fait par une conduite 136. Les tuyaux 134 et 136 sont reliés à une source de fluide chauffé non représentée. L'agent de refroidissement est introduit à l'intérieur et évacué à l'extérieur de la zone de refroidissement 132 par des orifices
138 et 140.
Le reste du système comprenant des tuyaux et des sources d'agents de refroidissement n'est pas représenté.
En outre, le mandrin 122 comporte des caractéristiques en dehors de celles mentionnées pour le premier mode de mise en oeuvre décrit. D'abord, on a prévu une paire de zones 142 et 144 précédant respectivement l'extrémité conique 126 du mandrin 122. La première de celles-ci, zone de préconditionne- . ment 142, est prévue pour régler l'écoulement de l'agent de refroidissement ou du fluide de chauffage, suivant les condi- tions imposées, à travers un dispositif de tuyau 145 avec recirculation de celui-ci prévue par le passage formé par un tuyau 146. On a trouvé que la présence de la zone de précon- ditionnement 142 permet un meilleur réglage de la pièce tubu- laire 12.
Ensuite, la zone d'isolation 144 peut être refroidi ou chauffée par l'air ou d'autres gaz, de la manière décrite
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dans le mode de mise en oeuvre précédent, c'est-à-dire au
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t"'....1 r ;....) '^tJ ..t"-'t" ">' "''..J 3 f""e.' . ', .' --.:-(".: '. ..T-'''':'' -,''"!W'- démarrage, elle sert à¯élargir, 3.er"tûùs suffisamment pour l'amener sur le mandrin.
Aussi bien la zone 142 que la zone 144 sont repré- sentées à l'intérieur du prolongement de'fixation 148 pour le mandrin 122. Le prolongement 148 est séparable du mandrin 122 ' et un joint 149 est interposé comme fermeture entre les deux éléments.
Ensuite, le deuxième mode de mise en oeuvre du mandrin représenté sur la fig. 4 comporte les caractéristiques prévues pour empêcher l'accumulation de produits de condensa- tion eau, monomère, composants volatils, etc., sur la surface
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du mandrin et éléments placés au voisinage , ci-est-à-dire la filière, etc. En conséquence, le prolongement 148 est pourvu d'une surface extérieure qui est entaillée sur sa circonfé- rence formant alternativement des bandes et des rainures dans la direction longitudinale, et au-dessous ou en avant de celles- ci il s'amincit beaucoup pour se terminer en.-un drain d'éva- cuation 150, ce dernier servant à collecter et à évacuer les condensats se rassemblant au-dessus.
Le mandrin que l'on peut utiliser, en pratique, sui- vant la présente invention, est de construction rigide de façon à présenter une face ou surface solide à la pièce tubulaire en matériau thermoplastique à laquelle on doit communiquer une orientation biaxiale. L'enveloppe extérieure du mandrin qui peut être faite d'une seule pièce ou de plusieurs peut être construite en matériaux rigides, tels que différents métaux, alliages et pièces céramiques qui présentent le pouvoir de conduire la chaleur de façon relativement uniforme et aussi adiabatiquement que possible, pour contribuer à l'uniformité
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de l'orientation, et en conséquence à l'uniformité des pro-
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-.. .; ..... rI ., tation biaxiale finale. Les matériaux particulièrement recoin- mandés sont l'acier, le cuivre et différents alliages de nickel. La surface extérieure et en particulier celle de la section conique avant, efficace, du mandrin qui agit comme point d'orientation, peut être polie ou traitéeavec différents revêtements facilitant le glissement pour diminuer les forces de frottement entre cette surface et l'intérieur du tube de la pellicule avançant sur celle-ci.
Comme précédemment indiqué, l'extrémité du mandrin, c c'est-à-dire l'extrémité qui provoque l'orientation, est conique dans la direction de l'avance et présente une courbure extérieure de section continue. La partie postérieure du mandrin qui agit comme zone'de fixation de l'orientation, une fois provoquée, est de préférence de diamètre constant et, de même, possède une courbure extérieure continue.
La dimension hors-tout du mandrin en section ou en circonférence dépendra de la circonférence interne de la pièce tubulaire que l'on désire obtenir après orientation (étirage), tandis que la circonférence de l'extrémité la plus avancée peut être égale au diamètre interne de la pièce tubulaire avant l'orientation, et elle peut être celle de la pièce tubulairo au moment où elle est extrudée à partir de la filière. L'angle du cône de l'extrémité avancée peut varier en fonction de la valeur de l'orientation suivant la direction longitudinale ou d'usinage, et de l'orientation latérale ou transverse que l'on désire communiquer à la pièce tubulaire.
A titre d'illus- tration de ce qui vient d'être dit, on peut utiliser un mandrin
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représenté sur,la fig. 4 présentant un diamètre total de
187,5 mm et un'angle de cône pour l'extrémité, avantde 60 , pour orienter une pièce tubulaire en polystyrène de poids moléculaire 55 000 - 70 000 (Staudinger), d'épaisseur 1 mm et de circonférence intérieure de 117,5 mm pour une vitesse d'a- vance finale de 16,75 m/minute. Lorsque le tube de polystyrène quitte le mandrin, son épaisseur a été réduite à 0,025 mm et il préssnte une circonférence interne de 587,5 mm, à l'état permanent,.
La pellicule résultante, soumise à l'essai suivant SATM D 1504, présente une tension d'orientation de 35 à 63 kg/om2 dans la direction d'usinage et de 10,5 - 28 kg/cm2 dans la direction latérale? En conduisant cette opération d'o- rientation, à titre illustratif, les températures des diffé- rentes zones sont les suivantes : 65 - 76 C pour la première zone ; 105 - 120 C pour la zone d'orientation et 15 - 80 C pour la zone de fixation de l'orientation.
L'emplacement préféré du mandrin est tel-que l'axe longitudinal de celui-ci est en ligne droite avec l'axe de la filière utilisée pour extruder la pièce tubulaire. A ce point de vue, bien que le mandrin soit de préférence placé au voisinage immédiat de la filière, il ne doit néanmoins jamais être tel que la pièce tubulaire à extruder vienne im- médiatement en contact avec l'extrémité prolongée du mandrin où l'orientation est réalisée. Bien plus, la pièce tubulaire doit sortir librement sur une certaine distance de la manière représentée sur les figures, avant de venir en contact avec le mandrin.
Ce mode de réalisation permet de réaliser un précon- ditionnement, c'est-à-dire réduction de la température de la matière thermoplastique, de telle sorte qu'elle vienne sensi- blement à la température optimale d'orientation.
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Le fonctionnement de l'appareil d'orientation bia- xiale de la présente invention peut, d'une façon très générale, être réalisé en faisant avancer la pièce tubulaire à orienter, après extrusion de celle-ci, sur le mandrin, où elle est d'abord orientée biaxialement, et ensuite l'orientation est rendue permanente par refroidissement brutal.Ensuite, on amène la pièce tubulaire pour la fendre et la transformer en une feuille simple plane, forme sous laquelle on la dirige à travers les dispositifs d'enlèvement et, à l'enroulement final, elle est sous forme d'un rouleau, en simple largeur, de matière thermoplastique orientée biaxialement.
L'avance de la pièce tubulaire et ensuite celle de la feuille plane de matière thermoplastique synthétique orientée biaxialement comme précédemment décrit, est réalisée par les dispositifs d'enlèvement qui comprennent un ou plusieurs dispositifs mo- teurs ou d'entraînement.
Au cours de l'opération de l'appareil présenté, le temps et la température sont des considérations importantes, bien que celles-ci varient suivant la nature, principalement la nature chimique de la matière plastique à soumettre à l'o- risntation et, à un degré moindre, suivant l'importance de l'orientation à provoquer. Néanmoins, on peut dire d'une façon générale que l'orientation est provoquée à une tempéra- ture supérieure à la température de transition vitreuse de la matière thermoplastique donnée.
Plus spécialement, la tempé- rature d'orientation dépendra du fait que la matière est de nature non cristallisable comme dans le cas du polystyrène atactique, polystyrène de faible densité et chlorure de poly- vinyle, etc., ou de nature cristallisable, telle que polysty- rène isotactique, polyéthylène linéaire, polypropylène, etc.
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Dans le premier cas, l'orientation peut être réalisée à une température qui est supérieure à la température de transition vitreuse d'une quantité suffisante pour permettre l'allongement sans rupture à des vitesses pratiques, par exemple pour le polystyrène (atactique) 100 à 500 % d'allongement, à 10 à 200% d'allongement par seconde Dans le cas de polymère cristallisa- ble, la température d'orientation est de même supérieure à la température de transition vitreuse et peut être élevée au point de se rapprocher du point de fusion de la matière.
En tout cas, on peut déterminer la température à laquelle l'orien- tation peut être provoquée de façon rapide, relativement à la température à laquelle se produit la cristallisation du poly- mère à une vitesse pratique, simultanément ou subséquemment à l'orientation. La température de transition vitreuse T (g) signe la température à laquelle un matériau à dilater passera de l'état solide à l'état visco-élastique. Cette température en général n'est pas définie de façon précise, mais s'étend plut8t sar un domaine de quelques degrés (Fahrenheit ou cen- tigrade). Cette température est aussi appelée température de transition du second ordre.
En conséquence, la phase d'orienta- tion ne doit pas être réalisée à une température qui dépasse le point de fusion de la matière polymère synthétique à orien- ter, c'est-à-dire la température à laquelle elle devient à l'état liquide.
La température de fixation, qui a pour objet de rendre l'orientation définitive une fois introduite, est con- duite à une température inférieure à T (g) varie suivant la matière plastique synthétique utilisée. A titre illustratif, le polystyrène, polyéthylène et chlorure de polyvinyle subissent des transitions dans la zone de température [T(g)] au voi-
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sinage de 88 C, tandis que, pour le polypropylène, une trans- formation de ce genre se produit à environ 0 C. A ce point de vue, il faut noter que l'orientation sera introduite à une température supérieure à la température de transition. Dans le cas du polystyrène, qui présente une température de transition du second ordre d'environ 88 C, on prescrit une température de travail de 105 - 118 0.
Les températures réelles pour réaliser l'orientation dans les autres matières plastiques synthétiques peuvent varier de la même manière, c'est-à-dire quelque peu au-dessus de la température de transition du second ordre.
La durée et plus particulièrement le temps de séjour auquel la matière plastique est soumise pour l'obtention effi- cace de l'orientation et la fixation dépendront des caractéris- tiques physiques et chimiques de la matière. Ainsi, le temps de séjour - qui est typique de la matière plastique utilisée - sera une indication pour la vitesse de l'avance de la matière soumise à l'orientation biaxiale. Des considérations d'appareil- lage telles que la dimension du mandrin et, en particulier, la dimension et le contour des différentes zones du mandrin, doivent aussi être prises en considération pour choisir la vi- tesse d'avance.
L'appareil d'orientation biaxiale de la présente in- vention peut être utilisé avec des matières thermoplastiques synthétiques qui présentent une zone de transition du second ordre ou vitreuse. Comme exemples de matériaux de ce genre, on citera polystyrène, polyéthylène, polypropylène, chlorure de polyvinyle, polymère de téréphtalate d'éthylènelycol, etc.
L'appareil décrit contribue à une opération d'orien- tation biaxiale qui est simple à conduire et a pour objet de minimise.!.- les problèmes de réglage de matrice. En outre, la
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simplicité de l'appareil permet de réduire à la fois le coût
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de l'opération et le capital d'investi5sement:lorsqu'on1es F z ,.r : ¯ ,;
y'.' ,ary -l.: compare, soit au procédé plat utilisant des cadres tendeurs, soit aux techniques d'extrusion avec soufflage, utilisant le soufflage d'air ou de gaz*
On verra que les objets indiqués ci-dessus, qui ré- sultent du mode de production décrit, sont obtenus à coup sûr et il est évident que desmodifications et variations peuvent être apportées à la réalisation du procédé ci-dessus et dans la construction, sans sortir du cadre de la présente invention.
REVENDICATIONS
1.- Appareil conçu pour donner une orientation bia- xiale à une pièce de forme tubulaire, en matière polymère synthétique et comportant un mandrin de construction rigide, placé en un point intermédiaire entre l'orifice de la filière d'extrusion annulaire et des dispositifs de prise, ledit man- drin étant pourvu :
(a) extérieurement, d'une extrémité conique longitudinale avec vue section de courbure continue, et (b) intérisurement, de plusieurs zones de réglage de température, lesdites zcnes comprenant une zone de chauffage placée à l'in- térieur de la pièce conique et communiquant à une pièce une température supérieure à -la température de transition vitreuse de la matière thermoplastique, et une zone de refroidissement disposée après la zone de chauffage, pour communiquer à cette une température inférieure à la température de transition vitreuse de la matière thermoplastique.