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"Appareil destiné à donner une orientation biaxiale à un tube en matière polymère synthétique thermoplas- tique".
La présente invention concerne des pellicules et des feuilles formées en matières polymères synthétiques thermoplastiques et plus particulièrement vise à communiquer une orientation biaxiale à des pellicules de ce type en uti- lisant la technique du mandrin solide sans affecter de façon défavorable les caractéristiques de surface.
L'orientation biaxiale des pellicules de po- lymère est la plupart du temps obtenue par un quelconque des procédés avec deux orientations. Ceux-ci peuvent être soit des procédés de fabrication à partir de tubes, soit
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de tt.iàta t 2 4 à plat*' mes deux, le.prootdo ..'3 ".; !''--'''''."t'. , 4 I .il '',."t. '" "'" zaza' 'i'b f''f .\... lI"tif(1'\- (. ,'')...;l't''' .
''# à partir "de dF4li , '% f. r,F 1 e t ...,'F * '. 1aponano,'notab1.' 4ufe.111 ,1 de la implicite de,t ion. x,e r ;proo4d' de fabrioa- tion à partir de tubes donne 'moine de déchetsque le pro- cédé de fabrication à plat. A ce dernier point de vue, le procédé de fabrication à plat qui implique l'emploi des tendeurs du typera,cadre exige des bordures importantes, du fait des dommages provoqués par les pinces utilisées par les tendeurs.
Dans louasse, le procédé d'orientation à par- tir de tubes étaiten gênerai ralisé sur un mandrin gazeux qui est en réalité un volume d'air captif ou autres gaz que l'on envoie dans le tube ou pellicule qui avance à la température convenable, opération au cours de laquelle il se produit une extension ou étirage longitudinal ou dans la direction d'usinage et transversal qui est communiqué à la pellicule.
La technique d'orientation à partir de tubes en utilisant un mandrin gazeux a donné toute satisfaction pour l'orientation de certaines matières polymères. Au con- traire, on-n'a paa obtenu un résultat satisfaisant en com- muniquant une orientation biaxiale aux matières polymères telles que polystyrène. La majeure partie de l'étirage des matières polymères telles que polystyrène se fait à une température pour la pellicule ne dépassant la température de transition vitreuse où il y a peu, voire aucune orien- tation, ce qui a pour résultat que la pellicule est cassante, facilement rompue au cours de ce stade d'avancement.
En conséquence, la pression interne par les bulles gazeuses provoquent un élargissement au point de moindre résistance, c'est-à-dire à la filière ou au voisinage de celle-ci à partir de laquelle on fait sortir le tube de polystyrène
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mettant de dormir '...fjrL,1;ot ;':"r) ,;, ;r.!f'8 de polymère sythétique", on décrit un procède pour com- muniquer une orientation biaxiale à une pièce de tome tu- bulaire de matière polymère synthétique thermoplastique au moyen d'un mandrin rigide diepoaé en un point intermé- diaire entre l'orifice de la filière d'extrusion'annulaire et les dispositifs d'enlèvement.
Bien que la technique d'orientation à partir de tubes utilisant les mandrins ri- gides ait donné toute' satisfaction pour obtenir une orien- tation biaxiale avec des maires polymères telles que le polystyrène, le mandrin rigide provoque, dans certains cas, des marques et éraflures sur la surface des pellicules de polymère. Dans le cas de certaines pellicules de polymères telleq que des polyoléfines, le coefficient de frottement entre la surface de la pellicule et la surface de contact du mandrin rigide est extrêmement élevée, ce qui provoque la formation d'aspirités et/ou l'usure du tube de polymère.
L'amplitude de cet effet dépend en général dans une large mesure, des conditions de température au cours du procédé d'orientation. En conséquence, pour les matières thermo- plastiques ne convenant pas pour les techniques avec mandrin soit gazeux, soit rigide, on utilise en général le pro- cédé de fabrication à plat.
En/conséquence, l'invention a pour principal objet de fournir un appareil grâce auquel on communique aux pellicules et maintient, de façon constante, une orien- tation biaxiale dans des pellicules formées de matières polymères synthétiques thermoplastiques en utilisant la technique d'étirage à partir de tubes, avec lubrifiant.
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Un autre objet vise à fournir un appareil pour la production dé pellicules de matières polymères, présentant les propriétés améliorées, à savoir : solidité et surfaces non troubles, ce résultat étant obtenu par les techniques d'orientation biaxiale par des procédés d'éti- rage à partir de tubes avec lubrifiant.
D'autres objets de l'invention apparaîtront' au cours de la description ci-après:
Ces objets et d'autres de la présente inven- tion peuvent être obtenus en réalisant l'appareil destiné à communiquer une orientation biaxiale à une pièce de forme tubulaire en matériau polymère synthétique thermo- plastique, ledit appareillage comprenant en combinaison un mandrin de construction rigide pourvu à l'extérieur d'un prolongement longitudinal cônique avec section de courbu- re continue et, à l'intérieur, de plusieurs zones de con- tr8le de température, une tête d'extrusion de filière an- mulaire alignée avec le prolongement conique longitudinal du mandrin et des dispositifs pour distribuer un fluide lubrifiant à l'intérieur de l'espace fermé délimité par:
(1) - la surface interne de la pièce en forme tubulaire en matière polymère synthétique, thermoplastique; (2) - l'extrémité conique longitudinal du mandrin, et (3) - la tête d'extrusion de filière annulaire.
Les figures du dessin annexé sont données à titre d'illustration des différents modes de mis- en oeuvre de la présente invention: - la fig. I est une vue en élévation avec a rachement partiel illustrant schématiquement un mode de réalisation de la présente invention;
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- la fig. II est une représentation schéma- tique en section avec arrachement partiel illustrant en particulier une combinaison d'un mandrin et de la tête de filière que l'on peut utiliser dans la mise En pratique .de l'invention; - la fig. III est une représentation schémati- que en section, avec arrachement partiel, montrant un deu-- xième mode de mise en oeuvre d'un mandrin que l'on peut utiliser dans la mise en pratique de l'invention.
En se reportant au dessin sur lequel les mê- fies références se rapportent aux mêmes parties, et d'abord à la fig. 1, on voit un appareil 10 pour provoquer une orien- tation biaxiale en utilisant un lubrifiant, en liaison avec une pièce tubulaire 12 en matière polymère synthétique, cette dernière étant destinée à subir une orientation biaxia- le au cours de l'avancement sur un mandrin 14 lubrifié ex- térieurement.
En particulier, on voit plus clairement sur la fig. II une tête 16 d'extrudeuse, le reste de l'extru- deuse n'étant pas représenté, présentant un orifice 18 de filière annulaire, défini entre une enveloppe 20 de tête de filière et un noyau 22 de filière, et une rainure 24 pour la lubrification à la partie supérieure du noyau de filière 22, concentriquement à 1!orifice de filière annulaire. On extrude une pièce tubulaire 12 à partir de l'orifice 18 et ensuite on provoque l'étirage sur la sur- face extérieure du mandrin 14. Le fluide de lubrification 26 s'écoule vers le haut à partir de la rainure annulaire 24 de lubrification dans un élément fermé 28, délimité par la pièce tubulaire 12, le noyau de filière 22 et le mandrin 14.
La surface interne de la pièce tubulaire 12 est ainsi
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revêtue de fluide lubrifiant 26 avant d'être étirée sur la surface extérieure du mandrin 14, grâce à quoi on dimi- nue la résistance ou coefficient de frottement entre la piè- ce tubulaire 12 et la surface du mandrin 14.
Dans le mode de mise en oeuvre préféré repré- senté sur la fig. II, le fluide lubrifiant frais 26 pénètre dans-la rainure 24 de lubrification, annulaire, par plusieurs' ouvertures 30 à partir d'un passage central 32 à l'exté- rieur du noyau 22 et allant jusqu'à l'enveloppe de la tête de filière 20. Le passage 32 est en outre relié au moyen du tuyau 34 d'alimentation à une source externe de fluide de lubrification. Le fluide de lubrification pénètre par le passage 32 à travers un élément de montage 34 pour le tuyau d'alimentation.
Lorsque la pièce tubulaire 12 s'avance vers le haut sur la surface extérieure du mandrin 14, le jeu plutôt faible entre la pièce tubulaire 12 et la section 36 conique du mandrin 14 provo que l'écoulement de l'excès de lubrifiant fluide vers le bas, le long de l'extrémité conique 38 à pente raide. Bien que l'on puisse permettre l'écoulement de l'excès de fluide de lubrification vers le bas à la rainure 24 annulaire, de lubrification, il est quelquefois préférable d'isoler l'excès de lubrifiant fluide du système en particulier s'il y a eu absorption
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tit111t1ttlÔUCb' Ou. de lzVllül4if 1VV11Vâ.I11111tf.lltrt! JGtl' ltt::x(';1::1 d'agent lubrifiant f luide. On a représenté sur la fig.
II, un système pour isoler le lubrifiant fluide en excès, dans lequel plu- sieurs ouvertures 40 à la base du mandrin 14 cnnduiront l'excès de fluide lubrifiant 26 à la partie creusée de prolongement de fixation 42 vers le bas, au tuyau 44 de décharge, disposé de façon concentrique, à l'intérieur du
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passage central 32 et du tuyau d'alimentation 34 se sépa- rant à l'extérieur du tuyau d'alimentation 34 par un joint 46. Ce système sert aussi d'évacuation pour empêcher l'ac- cumulation de gaz dans l'espace fermé 28.
Le niveau de fluide lubrifiant 26 à l'intérieur maintenu de l'espace fermé 28 doit être/constant, à la fois pour empêcher le niveau de tomber au-dessous du sommet de la cannelure 24 annulaire de lubrification et pour éviter les variations de pression de fluide contre la surface interne de la pièce tubulaire 12.
Le réglage du niveau du fluide de lubrifica- tion peut être réalisé par tout moyen convenable, tel que des systèmes par gravité, pompe mécanique, branche de manomètre, système de pression et de gaz et dispositifs analogues. On a représenté un système plutôt simple mais efficace sur la fig. 1, dans lequel le fluide de lubrifi- cation frais 26 est alimenté à la tête 16 d'extrudeuse par un tuyau d'alimentation 34, à partir d'un réservoir 48.
Le niveau de fluide à l'intérieur du réservoir 48 est maintenu constant en alimentant en continu le lubrifiant fluide audit réservoir par un tuyau d'alimentation 50 re- lié à une source non représentée. Le niveau du fluide, à l'intérieur du réservoir 48 déterminera le niveau à l'in- térieur de l'espace fermé 28 (voir fig. II), par pression hydrostatique. En général, il est désirable d'utiliser un réservoir de diamètre plutôt large pour régler de façon optimale le niveau du fluide.
On a représenté un mandrin 14 disposé au-des- sous et aligné suivant l'axe de l'orifice de filière annu- laire 18 et la rainure de lubrification 24. On peut réali- ser l'alignement préféré de la manière représentée sur
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la fig. II, en prévoyant pour le mandrin 14 à l'extrémité avant de celui-ci, un prolongement de fixation 42 représen- té cylindrique qui convient pour être enfoncé ou vissé dans le dessus de la portion évidée d'un noyau 22 de filière, fermant ainsi le passage 32.
Comme précédemment décrit, on pourvoit le mandrin 14, à l'extérieur, d'une extrémité 38 conique sui- vant l'axe, se terminant dans la direction de l'avant dans le prolongement de fixation 42. L'extrémité 38 devient ainsi un cône tronqué. La pièce tubulaire 12 ne vient pas en con- tact avec cette portion du mandrin. Immédiatement au-dessus de l'extrémité prolongée 38, le mandrin 14 est pourvu, à l'extérieur, d'une section longitudinale 36, conique, d'angle au sommet inférieur présentant en section une cour- bure continue. A ce point de vue, la courbure a de préfé- rence une ligne ou profil périphérique définissant un cercle, mais elle peut avoir aussi des formes elliptiques.
La section avant 36 fournit le point où se produit l'orientation aussi bien longitudinale que latérale du tube 12. C'est aussi le long de cette section longitu- dinale 36 que la lubrification entre la surface interne de la pièce tubulaire 12 présente une importance capitale pour empêcher les tensions, rayures, usure, etc, sur la surface de la pièce tubulaire 12 au cours du processus d'orientation. Une section postérieure cylindrique 52 du mandrin 14, qui est contiguë à ou constitue une extension vers l'arrière de la section décrite précédemment, est en comparaison, de diamètre constant et agit comme point où l'orientation biaxiale une fois provoquée, est rendue permanente par trempe ou refroidissement du tube 12.
La lubrification le long de la section cylindrique postérieure
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52 n'a pas en gênera une importane usai grande, étant
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n'a pas géniral ., r,.''^drT' yK. . k." ' subel, grande, itunt donné que le coefficient 4"1tt..t:..ti général plus grand le long de la. action 36 du fait de le. résistance à l'étirage offerte par la pièce tabulaire 12. A nouveau, la température de la pièce tubulaire, 12 est en général plus faible au cours de l'avance sur la section cylindrique 52 ce qui, dans la plupart des cas, diminue encore le coeffi- dent de frottement entre la pièce tubulaire et la section cylindrique.
En tout cas, en général, il reste une couche suffisante de lubrifiant sur la pièce tubulaire 12 au cours de l'avance le long de la section cylindrique 52 pour sup- la plupart primer/des problèmes de frottement. Pour les matières poly- mères plus rigides et plus dures, on obtient une lubrifi- cation accrue le long de la section cylindrique 52, en re- montant le niveau de lubrifiant fluide 26 de façon à rem- plir complètement l'espace fermé 28 entre le noyau de filière 22 et l'extrémité conique 38 du mandrin 14.
L'écoulement en arrière par le tuyau d'évacuation 44 peut être diminué ou réglé par tout moyen convenable. La pres- sion de fluide accrue tendra à provoquer un écoulement plus grand de lubrifiant fluide le long de la section coni- que 52 et de la section cylindrique 52 du mandrin 14.
La demanderesse n'a pas l'intention de limiter l'invention à une configuration interne du mandrin solide utilisé pour orienter de façon biaxiale la matière pelli- culaire polymère. Toutefois, le réglage de la température est important, étant donné que des matères polymères dif- férentes présenteront en général des températures optimales d'orientation différentes et le processus de lubrification est, dans certains cas,-affecté par la température de la pellicule de polymère.
En conséquence, le mandrin 14 est
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de oozm=iquer, audatwxir ettHM'fyM µ.* pièo tu bu- # 7 , , ,n,, te ladre 12. la température à 1,f11rt.7.1 .,"Qrtfiia.41' blaximle peut Ctra conmuniqu' & la pMSptCX*'tio& veo <tir&g8 sijsuliané de la pièce t.â'.2. tu,-au 56 vertical-t relié à une source non représentée, sert à introduire un fluide chauffé dans la zone de chauffage 54. Un .tuyau d'é- vacuation 58 est installé pour réaliser un système avec fluide de chauffage en circulation continue.
Une zone 60 pour le réglage secondaire de la température, placée au-des- sus de la zone de chauffage 54 précédemment* peut être ménagée pour chauffer ou refroidir la pellicule de polymère à une température convenant à la fois à l'orien- tation de la pellicule et à l'opération de lubrification. de réglage Pour alimenter de façon continue cette zone/secondaire de la température, avec un fluide de façon à obtenir la tem- pérature désirée, un tuyau d'alimentation 62 et un tuyau de vidange 64 sont reliés tous les deux à une source de fluide.
Pour faire avancer le tube 12 à une vitesse prédéterminée sur lemandrin 14, on a prévu des dispositifs d'enlèvement qui sont représentés sur la fig. I, prenant la forme de rouleaux plieur et support de feuille 66-66a; et 68-68a et une paire de rouleaux pinceurs 70 et 70a, les rouleaux pinceurs étant pourvus d'un moteur d'entraî- nement ou autre source de puissance non représentée. On peut faire varier la vitesse d'enlèvement pour obtenir l'extension longitudinale désirée avec extension latérale due à la configuration du mandrin.
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Ceci empêche les faux-plis qui autrement se formeraient si la pellicule était dirigée par les dispositifs d'enlèvement sous forme tubulaire. Si on désire des feuilles de largeur plus grande, on peut utiliser un seul couteau pour fendre la pellicule.
Le choix du lubrifiant sera fonction de la nature du polymère particulier constituant la pellicule ou feuille à laquelle on doit faire subir une orientation biaxiale, ainsi que les conditions de températures auxquel- les on opère dans la mise en oeuvre du procédé. En d'autres termes, le lubrifiant particulier ne doit pas affecter de façon préjudiciable la matière polymère extrudée et doit être liquide au cours du contact initial avec le polymère extrudé. Les lubrifiants utilisés peuvent avoir d'autres buts secondaires, tels que revêtement protecteur pour la pellicule de polymère orienté biaxialement. Dans la cas de revêtement protecteur, le lubrifiant peut être du type qui servira de lubrifiant liquide sur la partie chaude du mandrin et comme lubrifiant solide sur la partie froide du mandrin.
Toutefois dans certains cas, il est préféra- ble que la pellicule liquide ou solide soit éliminée *du
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poJLymère après orientation. Le procédé utilisé pour l'éli- mination du lubrifiant variera en général suivant la nature' du lubrifiant, par exemple une opération de séchage subsé- quente sera convenable pour éliminer le lubrifiant du type fluide volatil, tandis qu'on devra utiliser différents solvants pour l'élimination de nombreux autres types de lubrifiant. Dans le mode de:mise en oeuvre représenté sur la fig. I, des récipients 74 et 74a pourle trempage con- tenant le solvant sont placés en un point intermédiaire entre les rouleaux 66-66a et 68-68a pour le pliage et le support de le feuille., et les paires *de rouleaux pinceurs 70 et 70a.
Des paires de rouleaux 76 et 76a disposées dans les récipients de trempage 74 et 74a contenant du solvant respectivement, guident la pellicule de polymère ou les moitiés de la pièce tubulaire 12 dans le solvant au-dessous du niveau de celui-ci, grâce à quoi on dissout et élimine par lavage le lubrifiant liquide 26 convrant la pellicule de polymère,
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La fig. III illustre un deuxième mode de -=a--.isation d'un mandrin que l'on peut utiliser dans la mise erratique de la présente invention. Ce mandrin, désigné en 1C. est inversé de telle sorte qu'un orifice de filière anmaire 102 est aligné axialement au-dessus du mandrin 100 et 1 lubri- fiant fluide est alimenté à un espace fermé 104 par zn tuyau d'alimentation 106, s'étendant suivant l'-axë, à trrs le mandrin 100.
Un tuyau vertical 108 disposé de façcr concen- trique à l'intérieur du tuyau d'alimentation 106 ser d'éva- cuation pour empêcher l'accumulation de pression ¯'intérieur de l'espace fermé 104. L'avantage particulier de c= iode de mise en oeuvre réside danb le fait que le fluide lx¯fiant ne vient pas en contact avec la surface plutôt chn-m--- ie la tête lvv d'extrudeuse et, en conséquence, on obtie' lu meil- leur réclame de température du lubrifiant.
Le mandrin que l'on peut utiliser dans !.. ratique de l'intention est .e construction rigide, due fa- présenter une :ice t)11 surface solide a la pièce tusuJaire -1 - :.è::-8 plastique laquelle on doit communiquer une orie:.-: -:..::n oia- xiale. L'enveloppe extérieure du ;!lo.:lclrl.n qui peut cons- tituée d' une pièce unique ou d'un ensemble de pièc ¯ eu être foDriquée a partir de matériaux rigides, tels que zus-rentes métaux, alliages et matières céramiques qui préser-torr un vcltaili pouvoir pour conduire la chaleur .C,lCr.T ....:.C nement et de faon aussi adiabatique jure possible, .r con- criouer a l'uniformité de l'orientation et, en c..¯...-nce, a 1 ' unxf orisité des propriétés physiques et a l'ai.p.r¯:c# finale le la pellicule orientée biaxia1ement.
Les mat4ri,-- 'articuliè- re.:.ent recommandés pour cela sont l'acier, 1 ' -"ilun;¯-¯¯.i, le cui- vre et lifférents alliages de r.icxel. L'extérieur i"; être poli,
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de façon à réduire encore les forces de frottement entre le mandrin et l'intérieur du tube de la pellicule à déplacer sur celui-ci.
La dimension totale du mandrin, en section ou en circonférence, dépendra de la circonférence internede la pièce tubulaire que l'on désire obtenir avec orientation (étirage), tandis que la circonférence de l'uxtrémité avant venant en contact avec la pellicule tuoulaire peut avoir le diamètre interne de la pièce tubulaire avant la réalisation de l'orientation, qui peut être celle de la pièce tubulaire au moment de l'extrusion à la filière. L'angle du cône de la section avant peut varier suivant la valeur de l'orienta- tion dans le sens longitudinal ou direction d'usinage et de l'orientation latérale ou transverse que l'on a l'intention de communiquer a la pièce tubulaire.
Comme précédemment men- tionné, le type de lubrifiant fluide utilisé variera suivant le type de pellicules de polymère auxque]?.es on doit communieuer une orientation et les buts auxiliaires à atteindre, par exemple, revêtement, etc. A titre d'illustration de l'emploi du mandrin lubrifié en liaison avec une matière polymère spé- cifique, on donne l'exemple ci-après sans intention de limiter l'invention à celui-ci. Un mandrin comme représenté sur la fig.
II, présentant un diamètre total de 187,5 mm et un anle de cône pour l'extrémité avant de 60 , peut être utilisé puur orienter une pièce tubulaire de polypropylène, présentant un poids moléculaire moyen de 240 000 - 270 000, une épaisseur de 1 mm et une circonférence intérieure de 117,5 mm à la vitesse d'a ancement final de 16,75 m par minute. Le lubrifiant fluide est la glycérine que l'on applique a la surface interne du tube de polypropylène avant de l'étirer à un intervalle de tempéra-
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ture de 90 à 150 C. Le niveau de la glycérine à l'intérieur de l'espace fermé doit être d'environ 3 mm.
Lorsque le tube de polypropylène quitte le mandrin, son épaisseur a été réduite à 0,025 mm et il présente une circonférence interne de 587,5 mm à l'état permanent avec un revêtement résiduel de lubrifiant d'environ 0,0012 à 0,0025 mm. Ce revêtement est ensuite éliminé en trempant la pellicule de polymère dans le récipient pour le trempage dans un solvant contenant de l'eau, sensiblement à la température ambiante. La pellicule résul- tante, soumise à l'essai suivant ASTM D 1504, présente une tension d'orientation de 10,5 - 21 kg/cm2 dans la direction d'usinage et de 7 - 14 kg/cm2 dans la direction latérale. En outre, la surface de la pellicule de polypropylène ne présente aucun signe de défauts, marques de grattage ou autres défauts physiques.
Lors de la conduite de l'opération d'orientation avec lubrifiant, la température de la glycérine est maintenue entre 98 et 144 C, tout en faisant varier la température dans la zone de réglage secondaire à l'intérieur de l'intervalle de 15 à 80 C et celle de la zone de chauffage entre 105 et 120 C.
L'opération avec l'appareillage d'orientation bia- xiale de la présente invention, d'une façon générale typique, peut être conduite en faisant avancer la pièce tubulaire, a soumettre à l'orientation après son extrusion, sur un mandrin rigide sur lequel elle est d'abord lubrifiée, ensuite orientée oiaxialement et troisièmement, l'orientation est rendue perma- nente par refroidissement. Ensuite, la pièce tubulaire est fendue et transformée en une feuille plate de simple largeur,
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forme sous laquelle elle est dirigée dans un bain pour l'éli- mination du luorifiant de façon à dissoudre ou éliminer par lavage le lubrifiant, et ensuite entre des dispositifs d'enlè- vement et vers l'enroulement final où elle forme des rouleaux de même largeur de matière thermoplastique 'orientée biaxia- lement.
L'avance de la pièce tubulaire et ensuite de la feuille plate de matière thermoplastique synthétique comme précédem- ment décrit est réalisée par des dispositifs d'enlèvement qui comportent un ou plusieurs éléments moteurs principaux ou dis- positifs d'entraînement.
Au cours du fonctionnement de l'appareillage présenté, le temps et la température sont des considérations importantes.
Bien que ceux-ci varient suivant la nature et principalement le caractére chimique du lubrifiant et de la matière thermo- plastique à soumettre a l'orientation, on peut considérer d' une façon générale que la lubrification et l'orientation sont réalisées à des températures supérieures à la température de transition vitreuse [T(g)] de la matière thermoplastique don- née. Plus spécialement, la température du lubrifiant fluide dépendra de la température d'orientation, tandis que la tem- pérature d'orientation dépendra de la matière suivant qu'elle est de nature non-cristallisable dans le cas du polystyrène atactique, polystyrène à basse densité, chlorure de polyvinyle, etc., ou de type cristallisable comme dans le cas de polys- tyrène isotactique, polyéthylène linéaire et polypropylène, etc.
Dans le premier cas, l'orientation peut être réalisée à une température qui est supérieure à la température de tran- sition vitreuse, suffisamment pour permettre l'allongement sans rupture à des vitesses pratiques, par exemple pour le
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polystyrène (atactique) 100 à 500 % d'allongement, 10 à 200% d'allongement par seconde. Dans le cas de polymères oristalli- sables, la température d'orientation est de même supérieure à la température de transition vitreuse et peut âtre aussi élevée que le point de fusion de la matière.
En tout cas, la température à laquelle l'orientation peut être réalisée de façon rapide, peut être déterminée relativement à la tempéra- ture à laquelle la cristallisation du polymère se produit à une vitesse pratique, simultanément et/ou subséquemment à la réalisation de l'orientation. La température de transition vitreuse T(g)] désigne la température à laquelle la matière progressant (c''est-à-dire s'élargissant), passe de l'état solide à l'état viscoélastique. Cette température en général n'est pas définie de façon précise, mais s'étend plutôt sur une zone de quelques degrés (Fahrenheit ou centigrade). Cette température est appelée aussi température de transition du second ordre.
Dans tous les cas, les phases de lubrification et d'orientation ne doivent pas être réalisées à des tempéra- tures qui dépassent le point de fusion du matériau polymère synthéyique à soumettre à l'orientation c'est-a-dire la tempé- rature à laquelle il passe à l'état liquide.
La phase de fixation, qui a pour but de rendre défi- nitive l'orientation communiquée, est réalisée a une tempéra- ture inférieure à la température de transition vitreuse [ T(g)] et varie suivant la matière plastique synthétique utilisée.
Comme exemple de cela, le polystyrène, le polyéthylène et le chlorure de polyvinyle surissent des transitions dans la région de température au voisinage de 88 C tandis que, pour le polypropylène, une transition similaire se produit à environ 0 C. Si le point de fusion du lubrifiant fluide est supérieur
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à la température requise pour rendre permanente l'orientation de la pellicule, le lubrifiant fluide a tendance à se solidifier tandis que le tube en polymère progresse sur la partie cylindri- que du mandrin.
Cet effet habituellement n'est pas important étant donné que la durabilité est obtenue à la partie extrême du mandiin et peut même être désirable pour avoir un revêtement protecteur de la pellicule. '
L'appareil décrit réalise une opération d'orientation biaxiale de façon simple et sert à diminuer l'importance des problèmes de surface de la pellicule polymère. En outre, la simplicité de l'appareil sert à réduire le coût de l'opération et les capitaux d'investissement comparés à ceux du procédé de fabrication à plat utilisant des cadres à mâchoires.
Ainsi, on voit que les objets indiqués ci-dessus parmi les autres sont efficacement obtenus. Bien entendu, on pourra apporter certaines modifications dans la réalisation du procédé ci-dessus et dans la construction, sans sortir du ca- dre de la présente invention.
REVENDICATIONS.
1.- Appareil destiné à communiquer une orientation biaxiale à une pièce de forme tubulaire, en matériau polymère synthétique thermoplastique, caractérisé en ce qu'il comporte, en combinaison, un mandrin de construction rigide, pourvu extérieurement d'une pièce conique longitudinale ayant une section de courbure continue, une tête de matrice d'extrusion annulaire alignée axialement avec l'extrémité conique longi- tudinale du mandrin et des dispositifs de distrioution du lubrifiant pour fournir le fluide lubrifiant à la surface interne de la pièce tubulaire en matière polymère synthétique thermoplastique.
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"Apparatus for Biaxially Orienting a Tube of Thermoplastic Synthetic Polymer Material".
The present invention relates to films and sheets formed of thermoplastic synthetic polymeric materials and more particularly aims to impart a biaxial orientation to such films by using the solid core technique without adversely affecting the surface characteristics.
The biaxial orientation of the polymer films is mostly achieved by any of the two-orientation methods. These can be either manufacturing processes from tubes, or
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In louasse, the orientation process from tubes was generally carried out on a gas mandrel which is in reality a volume of captive air or other gases which is sent into the tube or film which advances at the suitable temperature. , operation in which there is an extension or stretching longitudinally or in the direction of machining and transverse which is communicated to the film.
The tube orientation technique using a gas mandrel has been successful in the orientation of certain polymeric materials. On the contrary, a satisfactory result has not been obtained in imparting a biaxial orientation to polymeric materials such as polystyrene. Most of the stretching of polymeric materials such as polystyrene takes place at a temperature for the film not exceeding the glass transition temperature where there is little or no orientation, resulting in the film being brittle. , easily broken during this stage of advancement.
As a result, the internal pressure from the gas bubbles causes an expansion at the point of least resistance, i.e. at or near the die from which the polystyrene tube is exited.
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putting to sleep '... fjrL, 1; ot;': "r),;,; r.! f'8 of sythetic polymer", we describe a procedure for communicating a biaxial orientation to a part of tome tu - bular of thermoplastic synthetic polymer material by means of a rigid mandrel diepoaé at an intermediate point between the orifice of the annular extrusion die and the removal devices.
Although the tube orientation technique using the rigid mandrels has been successful in achieving biaxial orientation with polymeric mayors such as polystyrene, the rigid mandrel causes, in some cases, marks and marks. scratches on the surface of the polymer films. In the case of certain polymer films such as polyolefins, the coefficient of friction between the surface of the film and the contact surface of the rigid mandrel is extremely high, which causes the formation of vacuums and / or wear of the core. polymer tube.
The magnitude of this effect generally depends to a large extent on the temperature conditions during the orientation process. Accordingly, for thermoplastics unsuitable for either gaseous or rigid mandrel techniques, the flat method of manufacturing is generally used.
Accordingly, it is a primary object of the invention to provide an apparatus by which films are imparted and constantly maintained in biaxial orientation in films formed of thermoplastic synthetic polymeric materials using the technique of stretching. from tubes, with lubricant.
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Another object is to provide an apparatus for the production of films of polymeric materials, exhibiting the improved properties, namely: strength and non-turbid surfaces, this result being obtained by the techniques of biaxial orientation by stretching processes. from tubes with lubricant.
Other subjects of the invention will become apparent from the following description:
These and other objects of the present invention can be achieved by providing the apparatus for imparting a biaxial orientation to a tubular shaped part of thermoplastic synthetic polymer material, said apparatus comprising in combination a mandrel of rigid construction. provided on the outside with a conical longitudinal extension with a continuous curvature section and, on the inside with several temperature control zones, an angular die extrusion head aligned with the conical extension longitudinal of the mandrel and devices for distributing a lubricating fluid inside the closed space delimited by:
(1) - the internal surface of the tubular shaped part made of synthetic, thermoplastic polymer material; (2) - the longitudinal conical end of the mandrel, and (3) - the annular die extrusion head.
The figures of the appended drawing are given by way of illustration of the different embodiments of the present invention: FIG. I is an elevational view with partial cutaway schematically illustrating an embodiment of the present invention;
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- fig. It is a schematic sectional view partially broken away, particularly illustrating a combination of a mandrel and the die head which may be used in the practice of the invention; - fig. III is a schematic sectional view, partially broken away, showing a second embodiment of a mandrel which can be used in the practice of the invention.
Referring to the drawing in which the same references relate to the same parts, and first of all to FIG. 1 shows an apparatus 10 for inducing a biaxial orientation using a lubricant, in connection with a tubular piece 12 of synthetic polymeric material, the latter being intended to undergo a biaxial orientation during advancement on a. mandrel 14 externally lubricated.
In particular, it can be seen more clearly in FIG. II an extruder head 16, the remainder of the extruder not being shown, having an annular die orifice 18, defined between a die head shell 20 and a die core 22, and a groove 24. for lubrication at the top of the die core 22, concentrically with the annular die port. A tubular part 12 is extruded from orifice 18 and then stretched on the outer surface of mandrel 14. Lubricating fluid 26 flows upward from annular lubricating groove 24. in a closed element 28, delimited by the tubular part 12, the die core 22 and the mandrel 14.
The internal surface of the tubular part 12 is thus
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coated with lubricating fluid 26 before being stretched over the outer surface of the mandrel 14, whereby the resistance or coefficient of friction between the tubular part 12 and the surface of the mandrel 14 is reduced.
In the preferred embodiment shown in FIG. II, the fresh lubricating fluid 26 enters the annular lubricating groove 24 through a number of openings 30 from a central passage 32 outside the core 22 and extending to the shell of the tube. die head 20. The passage 32 is further connected by means of the supply pipe 34 to an external source of lubricating fluid. Lubricating fluid enters through passage 32 through a mounting member 34 for the supply pipe.
As the tubular piece 12 advances upwardly over the outer surface of the mandrel 14, the rather small clearance between the tubular piece 12 and the tapered section 36 of the mandrel 14 causes excess fluid lubricant to flow downward. low, along the steeply sloping conical end 38. While the excess lubricating fluid can be allowed to flow down to the annular lubricating groove 24, it is sometimes preferable to isolate the excess fluid lubricant from the system particularly if it is. there was absorption
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II, a system for isolating excess fluid lubricant, in which several openings 40 at the base of mandrel 14 will lead excess lubricating fluid 26 to the recessed portion of attachment extension 42 downward, to pipe 44 of discharge, arranged concentrically, inside the
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central passage 32 and the supply pipe 34 separating to the outside of the supply pipe 34 by a seal 46. This system also serves as a drain to prevent the accumulation of gas in the closed space. 28.
The level of lubricating fluid 26 maintained within the enclosed space 28 must be / constant, both to prevent the level from falling below the top of the annular lubricating groove 24 and to avoid pressure variations. of fluid against the internal surface of the tubular part 12.
Adjustment of the level of the lubricating fluid can be accomplished by any suitable means, such as gravity systems, mechanical pump, manometer branch, pressure and gas system and the like. A rather simple but effective system has been shown in FIG. 1, wherein the fresh lubricating fluid 26 is supplied to the extruder head 16 through a supply pipe 34, from a reservoir 48.
The level of fluid inside reservoir 48 is kept constant by continuously supplying fluid lubricant to said reservoir through a supply pipe 50 connected to a source not shown. The level of the fluid inside the reservoir 48 will determine the level inside the closed space 28 (see FIG. II), by hydrostatic pressure. In general, it is desirable to use a reservoir of a rather large diameter to optimally control the level of the fluid.
Shown is a mandrel 14 disposed below and aligned along the axis of the annular die orifice 18 and the lubrication groove 24. The preferred alignment can be made as shown in.
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fig. II, by providing for the mandrel 14 at the front end thereof, a fixing extension 42 shown cylindrical which is suitable to be driven or screwed into the top of the recessed portion of a die core 22, closing thus passage 32.
As previously described, the mandrel 14 is provided on the outside with a conical end 38 following the axis, terminating in the forward direction in the attachment extension 42. The end 38 thus becomes a truncated cone. The tubular part 12 does not come into contact with this portion of the mandrel. Immediately above the extended end 38, the mandrel 14 is provided, on the outside, with a longitudinal section 36, conical, angled at the lower apex having in section a continuous curvature. From this point of view, the curvature preferably has a peripheral line or profile defining a circle, but it can also have elliptical shapes.
Front section 36 provides the point where both longitudinal and lateral orientation of tube 12 occurs. It is also along this longitudinal section 36 that lubrication between the inner surface of tubular member 12 is of importance. capital to prevent stress, scratches, wear, etc., on the surface of the tubular part 12 during the orientation process. A cylindrical posterior section 52 of mandrel 14, which abuts or constitutes a rearward extension of the section previously described, is in comparison, of constant diameter and acts as the point where the biaxial orientation, once induced, is made permanent. by quenching or cooling the tube 12.
Lubrication along the posterior cylindrical section
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has no geniral., r,. '' ^ drT 'yK. . k. "'subel, grande, itunt given that the coefficient 4" 1tt..t: .. ti generally greater along the. action 36 due to the. stretch resistance offered by the tubular part 12. Again, the temperature of the tubular part, 12 is generally lower during the advance on the cylindrical section 52 which, in most cases, decreases further. the coefficient of friction between the tubular part and the cylindrical section.
In any event, in general, a sufficient layer of lubricant remains on the tubular piece 12 during advance along the cylindrical section 52 to eliminate most friction problems. For stiffer and harder polymeric materials, increased lubrication is achieved along cylindrical section 52 by raising the level of fluid lubricant 26 so as to completely fill the enclosed space 28 between. the die core 22 and the tapered end 38 of the mandrel 14.
The backward flow through the discharge pipe 44 can be decreased or regulated by any suitable means. The increased fluid pressure will tend to cause greater flow of fluid lubricant along taper section 52 and cylindrical section 52 of mandrel 14.
Applicants do not intend to limit the invention to an internal configuration of the solid mandrel used to biaxially orient the polymeric film material. However, temperature control is important, as different polymeric materials will generally exhibit different orientation optimum temperatures and the lubrication process is in some cases affected by the temperature of the polymer film. .
As a result, the chuck 14 is
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A zone 60 for secondary temperature control, placed above the heating zone 54 previously * may be provided to heat or cool the polymer film to a temperature suitable for both the orientation of the polymer. the film and the lubrication operation. To continuously supply this temperature / secondary zone with fluid to achieve the desired temperature, a supply pipe 62 and a drain pipe 64 are both connected to a fluid source. .
In order to advance the tube 12 at a predetermined speed on the mandrel 14, removal devices are provided which are shown in FIG. I, taking the form of folding rollers and sheet support 66-66a; and 68-68a and a pair of pinch rollers 70 and 70a, the pinch rollers being provided with a drive motor or other power source not shown. The removal speed can be varied to achieve the desired longitudinal extension with lateral extension due to the configuration of the mandrel.
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This prevents wrinkles that would otherwise form if the film were directed by the strippers in tubular form. If larger width sheets are desired, a single knife can be used to split the film.
The choice of lubricant will depend on the nature of the particular polymer constituting the film or sheet to which a biaxial orientation is to be subjected, as well as the temperature conditions at which one operates in carrying out the process. In other words, the particular lubricant should not adversely affect the extruded polymeric material and should be liquid during initial contact with the extruded polymer. The lubricants used can have other secondary purposes, such as a protective coating for the biaxially oriented polymer film. In the case of a protective coating, the lubricant may be of the type which will serve as a liquid lubricant on the hot part of the mandrel and as a solid lubricant on the cold part of the mandrel.
In some cases, however, it is preferable that the liquid or solid film is removed * from the
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polymer after orientation. The method used for the removal of the lubricant will generally vary depending on the nature of the lubricant, for example a subsequent drying operation will be suitable to remove the volatile fluid type lubricant, while different solvents will have to be used to remove the lubricant. removal of many other types of lubricant. In the mode of: implementation shown in FIG. I, dip containers 74 and 74a containing solvent are placed at an intermediate point between rollers 66-66a and 68-68a for folding and supporting the sheet., And pairs of nip rollers 70 and 70a.
Pairs of rollers 76 and 76a disposed in the soaking vessels 74 and 74a containing solvent respectively, guide the polymer film or the halves of the tubular part 12 in the solvent below the level thereof, whereby the liquid lubricant 26 convening the polymer film is dissolved and washed away,
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Fig. III illustrates a second embodiment of a mandrel which can be used in the erratic setting of the present invention. This mandrel, designated in 1C. is reversed so that an additional die port 102 is axially aligned above mandrel 100 and fluid lubricant is supplied to an enclosed space 104 through a supply pipe 106, extending along the - axë, with the mandrel 100.
A vertical pipe 108 arranged concentrically inside the supply pipe 106 will serve as an outlet to prevent the build-up of pressure inside the enclosed space 104. The particular advantage of c = Processing iodine resides in the fact that the lx¯fiant fluid does not come into contact with the surface rather chn-m --- ie the lvv extruder head and, consequently, one obtains the best claim. lubricant temperature.
The mandrel which can be used in the intention practice is rigid construction, due to present a: ice t) 11 solid surface to the tusuJary part -1 -: .è :: - 8 plastic which one must communicate a orie: .-: -: .. :: n oia- xiale. The outer casing of the;! Lo.: Lclrl.n which can be made up of a single piece or a set of pieces ¯ had to be formed from rigid materials, such as zus-rentes metals, alloys and materials ceramics which preser-tor a vcltaili power to conduct heat .C, lCr.T ....:. C nement and as adiabatically swears as possible, .r to increase the uniformity of orientation and, in c..¯ ...- nce, has the unxf orisity of physical properties and has the end of the film oriented biaxially.
The materials recommended for this are steel, 1 '- "ilun; ¯-¯¯.i, copper and the various alloys of r.icxel. The exterior i "; to be polite,
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so as to further reduce the frictional forces between the mandrel and the interior of the tube of the film to be moved thereon.
The total dimension of the mandrel, in section or in circumference, will depend on the internal circumference of the tubular part which one wishes to obtain with orientation (stretching), while the circumference of the front end coming into contact with the tubular film may have the internal diameter of the tubular part before the orientation is achieved, which may be that of the tubular part at the time of extrusion to the die. The angle of the cone of the front section can vary according to the value of the orientation in the longitudinal direction or direction of machining and of the lateral or transverse orientation which it is intended to impart to the part. tubular.
As previously mentioned, the type of fluid lubricant used will vary depending on the type of polymer films to which one has to share orientation and ancillary purposes to be achieved, eg, coating, and the like. By way of illustration of the use of the lubricated mandrel in conjunction with a specific polymeric material, the following example is given without the intention of limiting the invention thereto. A mandrel as shown in FIG.
II, having a total diameter of 187.5 mm and a cone anle for the front end of 60, can be used to orient a tubular piece of polypropylene, having an average molecular weight of 240,000 - 270,000, a thickness of 1 mm and an inner circumference of 117.5 mm at the final feed speed of 16.75 m per minute. The fluid lubricant is glycerin which is applied to the internal surface of the polypropylene tube before stretching it at a temperature interval.
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ture from 90 to 150 C. The glycerin level inside the closed space should be approximately 3 mm.
When the polypropylene tube leaves the mandrel, its thickness has been reduced to 0.025mm and it has an internal circumference of 587.5mm at steady state with a residual lubricant coating of about 0.0012 to 0.0025mm . This coating is then removed by soaking the polymer film in the soaking vessel in a solvent containing water, at substantially room temperature. The resulting film, tested according to ASTM D 1504, exhibits an orientation tension of 10.5 - 21 kg / cm2 in the direction of machining and 7 - 14 kg / cm2 in the lateral direction. In addition, the surface of the polypropylene film shows no signs of blemishes, scratch marks or other physical defects.
When carrying out the orientation operation with lubricant, the temperature of the glycerin is kept between 98 and 144 C, while varying the temperature in the secondary control area within the range of 15 to 80 C and that of the heating zone between 105 and 120 C.
Operation with the biaxially orientated apparatus of the present invention, in a generally typical fashion, can be carried out by advancing the tubular part, to be subjected to orientation after its extrusion, over a rigid mandrel on. where it is first lubricated, then oiaxially oriented and third, the orientation is made permanent by cooling. Then the tubular piece is split and made into a flat sheet of single width,
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form in which it is directed into a bath for the removal of the luorifier so as to dissolve or wash off the lubricant, and then between take-off devices and to the final winding where it forms rolls of same width of biaxially oriented thermoplastic material.
The advance of the tubular piece and then of the flat sheet of synthetic thermoplastic material as previously described is effected by removal devices which include one or more main driving elements or drive devices.
During the operation of the apparatus presented, time and temperature are important considerations.
Although these vary according to the nature and mainly the chemical character of the lubricant and of the thermoplastic material to be subjected to the orientation, it can generally be considered that the lubrication and the orientation are carried out at temperatures. greater than the glass transition temperature [T (g)] of the given thermoplastic material. More specifically, the temperature of the fluid lubricant will depend on the orientation temperature, while the orientation temperature will depend on the material depending on whether it is non-crystallizable in nature in the case of atactic polystyrene, low density polystyrene. , polyvinyl chloride, etc., or of a crystallizable type as in the case of isotactic polystyrene, linear polyethylene and polypropylene, etc.
In the former case, orientation can be performed at a temperature which is higher than the glass transition temperature, sufficient to allow elongation without breaking at convenient rates, for example for the glass transition.
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polystyrene (atactic) 100 to 500% elongation, 10 to 200% elongation per second. In the case of oristallizable polymers, the orientation temperature is likewise above the glass transition temperature and can be as high as the melting point of the material.
In any event, the temperature at which orientation can be achieved rapidly can be determined relative to the temperature at which crystallization of the polymer occurs at a practical rate, simultaneously and / or subsequent to the completion of the process. 'orientation. The glass transition temperature T (g)] denotes the temperature at which the progressing matter (that is to say widening), changes from the solid state to the viscoelastic state. This temperature in general is not defined precisely, but rather extends over an area of a few degrees (Fahrenheit or centigrade). This temperature is also called the second order transition temperature.
In all cases, the lubrication and orientation phases must not be carried out at temperatures which exceed the melting point of the synthetic polymer material to be subjected to orientation, that is to say the temperature. at which it becomes liquid.
The fixing phase, which aims to make the communicated orientation definitive, is carried out at a temperature below the glass transition temperature [T (g)] and varies according to the synthetic plastic material used.
As an example of this, polystyrene, polyethylene and polyvinylchloride undergo transitions in the temperature region around 88 C while, for polypropylene, a similar transition occurs at around 0 C. If the melting point fluid lubricant is greater
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at the temperature required to make the orientation of the film permanent, the fluid lubricant tends to solidify as the polymer tube advances over the cylindrical portion of the mandrel.
This effect is usually not important since durability is achieved at the end portion of the mandiin and may even be desirable to have a protective coating of the film. '
The disclosed apparatus performs a biaxial orientation operation in a simple manner and serves to decrease the magnitude of the surface problems of the polymeric film. Further, the simplicity of the apparatus serves to reduce the cost of operation and capital investment compared to that of the flatbed manufacturing process using jaw frames.
Thus, it is seen that the objects indicated above among the others are effectively obtained. Of course, certain modifications can be made in carrying out the above process and in the construction, without departing from the scope of the present invention.
CLAIMS.
1.- Apparatus intended to impart a biaxial orientation to a part of tubular shape, made of thermoplastic synthetic polymer material, characterized in that it comprises, in combination, a mandrel of rigid construction, provided externally with a longitudinal conical part having a continuous curvature section, an annular extrusion die head axially aligned with the longitudinal tapered end of the mandrel and lubricant delivery devices to supply the lubricating fluid to the inner surface of the tubular piece of synthetic thermoplastic polymer material .