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Procédé et appareil pour l'orientation biaxiale de matières thermoplastiques.
La présente invention concerne uri procédé et un appareil pour orienter biaxialement des matières thermoplastiques organi-' ques.
On connaît les produits manufacturés et en particu- lier les pellicules en matières thermoplastiques organiques synthé- tiques à -, orientation biaxiale. Ils sont généralement .fabriqués par le procédé bien connu de soufflage de gaines. Toutefois, ils peuvent ' être fabriqués aussi par un procédé mettant en oeuvre un étirage longitudinal suivi d'un étirage latéral s'exécutant à l'aide .d'une rame. Des produits manufacturés orientés biaxialement de
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de petites dimensions tels que des plaques ou de petites feuilles, peuvent être fabriqués aussi par un procédé à double laminage* dans lequel' le second laminage et la réduction conséquente de l'épais- seur) se fait perpendiculairement au premier.
Les bandes ou les rubans à orientation biaxiale connus sont presque toujours produits en fendant longitudinalement une certaine longueur d'une pellicule orientée biaxialement obte- nue par un des procédés décrits ci-dessus. Les termes "bande" et "ruban" sont ici quasi-synonymes et désignent un produit manu- ,facturé mince (habituellement d'une épaisseur de 0,025 à 0,125 ou 0,25 mm) sensiblement plat, continu dont le rapport largeur sur épaisseur vaut au moins 3:1ou ..:1 et habituellement 20:1 à 75:1 ou
80:le des rapports beaucoup plus élevés atteignant, par exemple,
200 ou 300:1 ou même davantage étant toutefois possibles.
Ces bandes et rubans conviennent généralement pour les applications auxquelles on les destine, mais ils offrent l'inconvénient d'avoir des bords rugueux et dentelés résultant du fendage. Il en est i ainsi ^-ne lorsque le fendage se fait au moyen des couteaux ou des disques les plus tranchants. Ces irrégularités sont la cause de la présence dans ces rubans connus d'une multitude de points d'amorçage d'un déchirement. En outre, ces irrégulari- tés nuisent à l'aspect des rubans. D'autre part, la production de rubans ou de bandes par fendage exige des appareils et des procédés relativement compliqués et onéreux.
La Demanderesse a découvert, à présent, qu'il est possible d'orienter biaxialement des produits manufacturés en matières thermoplastiques organiques Sythétiquesepar un procédé suivant lequel on étire ces produits dans un sens de sorte qu'il apparaisse une striction à la jonction des régions non étirée , et étirée des produits,tandis qu'une force de compression s'e- xerce normalement à cette striction. Les produits manufacturés qui doivent être étirés peuvent se présenter sous forme de pelli-
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cules, de rubans ou de bandes, ou encore de monofilaments.
Sui- vant une forme d'exécution préférée de l'invention, le produit manufacturé est passé sur une arête d'appui sensiblement recti- ligne et étiré dans des conditions telles que la striction coïn- cide avec l'arête d'appui, l'angle 0 par là direction du produit manufacturé non étiré se déplaçant vers l'arête d'appui et par la direction du produit étiré qui quitte l'arête d'appui étant de 5 à 1750 et en particulier de 90 à 175 . Dans cette forme d'exécution de l'invention, la modification du trajet du produit manufacturé,qui se manifeste.au niveau de l'arête d'appui, signifie .que la force de compression qui est normale à la striction, ne résulte pas de l'application d'une pression extérieure.
Les rubans et bandes orie@@és biaxialement obtenus suivant l'invention peuvent avoir diverses largeurs très préci- ses et ont une surface sensiblement lisse et plate et des bords sensiblement lisses et arrondis.
Le procédé suivant l'invention permet d'orienter bi- axialement des produits manufacturés présentant pratiquement n'importe quelle section transversale. Ainsi, le procédé peut s'appliquer à des pellicules ou à des filaments de section trans- versale circulaire,rectangulaire, ovale ou elliptique. Il s'appli- que en particulier à l'orientation biaxiale de produits manufac- turés filamentaires,tels que des mono filaments, et de rubans ou de bandes. Les produits manufacturés qui doivent être orientés bi- axialement peuvent être constitués par n'importe quelle matière thermoplastique organique synthétique qui a la propriété de s'étirer à froid avec striction, expression cornue du spé- cialiste.
En bref, ces matières lorsqu'elles sont étirées longi- tudinalement ou bien suivantuneen ligne droite (par exemple dans une machine d'étirage à plusieurs cylindres) accusent-une défor- mation localisée, fixe dans l'espace,entre les points de contrain-
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te où la partie encore non étirée et non orientée de la matière est séparée par une striction de la partie étirée et . orientée qui est amincie. Si on ne tient pas compte des effets de fluage, seule la matière constituant la zone de striction subit un écoulement vrai. De nombreuses matières ther- moplastiques organiques synthétiques sont de ce type.
Des exem- ples sont les polymères de condensation tels que les polyamides (Nylons), les polyesters (comme le téréphtalate de polyéthylène);, les polymères d'oléfines comme le polyéthylène, le polypropylène, les copolymères d'éthylène et de propylène et les copolymères d'éthylène et de butène-1;
les polymères vinyliques et vinylidé- niques comme le chlorure de polyvinyle, le chlorure de polyvinyli- ,dène, les copolymères de chlorure de vinyle et de chlorure de vinylidène entre eux ou avec un plusieurs autres monomères vinyli- ques tels que l'acide acrylique, les acrylates d'alkyle, les métha- crylates d'alkyle, l'acrylonitrile ou l'acétate de vinyle et, dans certains cas, des polymères tels que * le polystyrène et le poly- méthacrylate de méthyle. Les matières thermoplastiques préférées pour le procédé suivant l'invention sont des polyoléfines et, en particulier, des homopolymères et des copolymères de l'éthylène i et du propylène.
Il va de soi que les matières utilisées peuvent ; contenir et, il en est habituellement ainsi, des constituants classiques comme des stabilisants à la chaleur et/ou à la lumière, : des pigments ou des colorants.
L'invention a aussi pour objet un appareil permettant d'orienter biaxialement, suivant le procédé de l'invention, des produits manufacturés en matières thermoplastiques organiques synthétiques. Cet appareil comprend une arête d'appui sensible- ment rectiligne, un dispositif faisant se déplacer le produit
Manufacturé au contact de cette arête,de façon que la direction ' du trajet du produit manufacturé soit modifiée, à l'arête d'appui d'un angle 0 de 5 à 1750 tandis que le produit manufacturé se
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trouve soun1s à une tension d'étirage telle qu'il ic ,a* f.. une striction. De préférence, l'arête d'appui de 1'appareil
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est le bord antérieur d'une plaque qui comprend de px.<.:4Lw aussi un dispositif de chauffage.
Le dispositif permettant d'étl- ? rer l'objet manufacturé comprend de préférence une paire de rouleaux de tirage d'où le produit manufacturé est P.;;1C: s l'arête d'appui et une paire de rouleaux d'étirage éti- rant la matière au niveau de l'arête d'appui, la seconde paire de rouleaux étant mue, quand l'appareil est en service, à une vitesse périphérique supérieure à celle de la première paire.
Le procédé et l'appareil suivant l'invention seront davantage décrits uniquement à titre d'exemple en se réfèrent aux dessins annexés, dans lesquels:
Fig. 1 est une vue en plan, avec un grossissement d'en- !
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viron 75X d'une bande ou d'un ruban orienta 'b1ax1ale:nent par : le procédé suivant l'invention, dont des parties ont été arrachées pour permettre certaines comparaisons avec des bandes ou
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des rubans produits par fendage Fig. 2a est une vue en coupe, avec un grossissement d'environ 90X prise suivant la ligne 2a-2a de la Fig. 1;
Fige 2b est une vue en coupe prise suivant la ligne
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2b-2b de la Fig. 1; la Fig. 3 représente 3ch6matiquement un produit manu- facturé en Dlat1èr e therl11ople.st:Lque qui est en train n'être oriente par le procédé suivant l'invention;
Fig. 4 est une vue de cote En élévation, qui illustre schématiquement une forme d'appareil suivant l'invention; Fig. 5 est un diagramme montrant la variation de la
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largeur de bande produite à divers angles d'étirage suivant 1-*în- vention et avec un rapport d'étirage constant de 5;
Fige 6 est un diagramme analogue à celui de la Fig.
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mais montrant les variations de la largeur pour un rapport dedti-
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rage coaotant de 6.
Dans les dessins,. 'ig. 1 et 2 montrent un ruban orienté ox ::.3 ; 10 ayant une épaisseur de 0,025 à 0,25 mma présen- tant uxa rapport largeur: épaisseur de 4:1 à 25:1 ou 30:, et dont les surfaces 11 et 12 sont sensiblement unies..' Par contre, on a cons-
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tenté que les surfaces correspondantes de rubans connus orientés monoaxialement et obtenus par étirage linéaire de filaments rec- tangulaires, par exemple, sont extrêmement striées.
En outre, les rubans obtenus par le procédé suivant l'invention ont, comme le .montrent le mieux les Fig. 2a et 2b, des bords sensiblement lisses, arrondis et pratiquement droits 13 et 14. Par contre, les rubans produits par fendage ont toujours des bords rugueux, sensiblement perpendiculaires et irréguliers tels que le bord 15 que représen- tent les 24-Le'. 1 ot 2a. Ainsi, les rubans obtenus par le procédé
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suivwrs Invention présentent un ensemble exceptionnel d'orienta- tion biaxiale, do surfaces sensiblement plates et lisses, et de
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boT'ils essentiellement lisses, arrondis et sensiblement droits.
La Fig. 3 montre qu'un produit manufacturé continu 16
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tel qu'un ruban ou un roonotilament circulaire non orienté, est étiré linéairement sur une arête sensiblement droite, qui coïncide en substance avec une striction 17. La direction du trajet.du produit manufacturé est modifiée au point où. existe la striction 17.
Les flèches vectorielles le long de l'axe longitudinal du ruban, ou d'un autre produit manufacturé soumis à l'orien-
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ttioy?:;gkj.axt;nt les forces de tension dues à l'étirage liné- ¯#V. lis conséquence directe de ce changement de direction est tt\ t1:o1aM,on ("v.n.a force résultante qui est représentée par la flèche voetc,<3lle ',. Cette force comporte une composante ''- ts,rsiors, représentée par la flèche veCt10relle F' c' i{'1i '1\'etÍl'C' en substance normalement à la strictianl7 et de ce fait le produit manufacturé 16 est orienté latéralement tandis qu'il subit simultanément un étirage linéaire.
L'angle 0 formé
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par les flèches vectorielles F1 et Fc est égal à la moitié de l'angle 0 formé par les flèches vectorielles F1 et F2.
La valeur absolue de.la force représentée par la flèche vec- torielle F1 est comprise entre, d'une part, un minimum, qui est la valeur de la force nécessaire pour surmonter les forces de frotte- ment et les forces d'inertie , afin d'assurer la continuité du mou- vement du produit manufacturé depuis son point d'alimentation jusqu'à l'arête d'appui et , d'autre part, la valeur de la force à laquelle le produit manufacturé se déformerait ou subirait une striction avant l'arête d'appui (cette force est appelée ci-après, pour la simplicité , force d'étirage). Cette force varie évidemment avec la configuration du produit manufacturé qui est soumis à l'é- tirage et avec les propriétés de la matière thermoplastique organi- que synthétique.
On a constaté, par exemple, que la force F1 varie entre 0,05 ou 0,1 et 1,5 g par denier pour des rubans et des mono- filaments circulaires en polymères d'oléfines non orientés. La valeur de cette force dans un cas donné quelconque peut être dé- terminée facilement par expérience.
La valeur de F2 est comprise entre un minimum, qui est la force nécessaire pour l'étirage, et un maximum qui correspond à la charge de rupture. De même que pour F1, la valeur de F2 varie suivent la configuration et la composition du produit monufacturé 16. Dans le cas de l'exemple qui vient d'être mentionné plus haut à propos de F1, on a constaté que F2 varie entre une limite infé- .pleure de 0,05 à 1,5 g par denier et une limite supérieure d'envi- ron 10 g par denier.
La valeur de Fr peut être calculée d'après l'équation
2 2 2
F = F + F + 2F F ces 0 r 1 2 1 2 Lorsque l'angle 0 vaut zéro ,Fc est égal à Fr qui, à son tour, est égal à la somme de F1 et de F2. Dans ce cas, la force de com-
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pression Fc aurait la valeur maximum possible. Bien qu'en théorie, l'angle 0 puisse être égal à zéro, en pratique cet angle aura une autre valeur,de sorte que la limite inférieure efficace pour cet angle 0 est environ 5 et de préférence d'environ 15 .
Lorsque l'angle 0 vaut 180 , la force de compression Fc (dans la forme d'exécution que représente la Fig. 3) est nulle, auquel cas la force de compression, qui est nécessaire suivant l'invention,devra obligatoirement trouver son origine ailleurs que dans l'étirage. Par conséquent, pour que la force de compres- sion nécessaire suivant l'invention puisse être créée uniquement par les forces d'étirage F1 et F@, il faut que l'angle 0 soit inférieur à 180 . Il est possible d'obtenir une certaine force de compression et, par conséquent, une certaine orientation laté- rale pour toute valeur de l'angle 0 inférieure à 180 , mais on préfère, en pratiqua, que cet angle 0 ne soit pas supérieur à 175 , et de préférence à 165 .
En aucun cas, la force de compression Fc, dans la forme d'exécution que représente la Fig. 3, ne peut dépasser la somme de la force nécessaire pour l'étirage et de la charge de rupture.
Pour les rubans et les monofilaments circulaires de polymères d'oléfines non orientés cités plus haut à titre d'exemple pour les valeurs de F et de F2, cette valeur maximum absolue de Fc est d'environ 27 kg.
La contrainte de compression est, pour tout cas donné, la force de compression Fc divisée par la surface sur laquelle elle s'exerce. Comme la force de compression totale est appliquée ' sur la striction 17 dont la longueur, dans la trajectoire du pro- duit manufacture soumis à l'orientation, est approximativement égale à l'épaisseur du produit manufacturé non étiré, la surface sur laquelle s'exerce cette force, dans la forme d'exécution que représente la Fig. 3, dépend du produit de la longueur utile do l'arête d'appui (c'est-à-dire la longueur de cette arête qui
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est en contact avec un produit manufacturé étiré) par la largeur du produit manufacturé non étiré.
Par exemple, dans le cas de l'étirage d'un ruban d'une largeur d'environ 6,25 mm, cette surface est de l'ordre de 1 x 10-4 cm2. Par conséquent, la con- trainte de compression pour des rubans ou des filaments en poly- mères d'oléfines peut être comprise entre une valeur juste supé- rieure à zéro et une valeur atteignant environ 16800 kg/cm .
Dans les exemples donnés ci-après, les contraintes de compression qui sont nécessaires pour obtenir des résultats satisfaisant* ne dépassent pas environ 700 kg/cm2.
One indication de l'importance de l'orientation latérale que permet de réaliser le procédé suivant l'invention est donnée par l'équation suivante :
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% O.L. = 100 ( '0 'ts - A t'la s où O.L. est l'orientation latérale,
Wo est la largeur finale du produit manufacturé. orienté, étiré sans force de compression, ¯ Ws est la différence entre la largeur initiale et la largeur après étirage sans force de compression, ¯ Wa est la différence entre la largeur initiale et la largeur après étirage avec application simultanée d'une force de com- pression s'exerçant en substance normalement à à la striction.
Une forme préférée d'appareil suivant l'invention est représentée schématiquement par la Fig. 4 où l'arête d'appui est le bord antérieur 19 d'une plaque 18. Etant donné la forme de la plaque 18, l'angle 0 vaut nécessairement au moins 90 .
Le produit manufacturé 21 qui doit être orienté est amené d'une source appropriée quelconque (non représentée) entre des rouleaux de guidage et d'alimentation 20,20 tournant en sens contraires.Le produit manufacturé passe sur le dessus de la plaque 18 puis descend en formant un angle (0- 90 ) vers les rouleaux d'étirage 22 22 qui tournent en sens contraires
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à une vitesse périphérique supérieure à celle des rouleaux 20,20 pour étirer linéairement le produit 21 lorsqu'il passe sur 1-'arête d' appui 19.
La plaque 18 est chauffée à une température appropriée par un dispositif de chauffage convenable quelconque (non représenté) et/ou la vitesse des rouleaux 20,20 et 22,22 est réglée judicieusement, de façon que la striction apparaissant dans le produit manufacturé coïncide en substance avec l'arête 19.
A la suite de ce positionnement de la striction et du changement de direction que subit le produit manufacturé 21, lorsqu'il passe sur l'arête 19, une force de compression s'exerce sur la striction et oriente biaxialement le produit manufacturé 21., Le produit manufacturé orienté biaxialement est ensuite stabilisé, après être passé entre les rouleaux 22,22 et envidé ou recueilli par un rouleau d'envidage 23 ou par un autrs dispositif approprié quelconque.
Il est évident que la largeur de l'arête d'appui sensiblement rectiligne doit être au moins égale à celle du produit manufacturé 21 et qu'elle est d'habitude beaucoup plus grande.,'
L'invention est davantage illustrée, sans être limitée, par les exemples suivants dans lesquels on utilise un appareil qui est sensiblement identique à celui que représente la Fig. 4.
La plaque métallique (18 sur la Fig. 4) a une longueur de 5 cm suivant le trajet 'du produit manufacturé, une épaisseur d'en- viron 2,5 cm et une largeur suffisante pour recevoir le produit manufacturé doit être étiré. La plaque est chauffée d'une façon appropriée (par exemple à l'électricité) à une température suffisante pour permettre l'étirage et localiser la striction dans le produit manufacturé, en substance au niveau du bord antérieur 19 de,la plaque.
Les rapports d'étirage auxquels on se réfère dans les exemples sont les rapports entre la vitesse périphérique j des rouleaux d'étirage 22,22 et la vitesse périphérique des
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rouleaux d'alimentation 20,20.
La valeur des forces F1 et F2 est mesurée à l'aide de dynamomètres.
L'angle 0 formé par le changement de la direction du trajet du produit manufacturé soumis à l'orientation est mesuré de façon directe.
La valeur de la force de compression,qui est essen- tiellement normale à la striction (appelée dans les exemples Tc, ce symbole ayant la même signification que le symbole Fc utilisé dans la description faite plus haut) est déterminée par addition vectorielle graphique des forces F1 et F2 pour établir la valeur de la force résultante Fr, puis en projetant le vecteur de Fr sur la ligne 0/2 (c'est-à-dire la ligne formant l'angle 8 avec le vecteur de la force F1 sur la Fig. 3).
Les largeurs des produits manufacturés orientés biaxia- lement sont mesurées optiquement.
EXEMPLE 1.-
Dans cet exemple, le produit manufacturé à orienter est un ruban en polypropylène non étiré d'une largeur de 6,25 mm et d'un denier de 7700. La plaque (18 sur la Fig. 4) est chauf- fée à environ 130 C.
Le ruban non étiré est étiré sur l'arête d'appui (bord d'antérieur 19 sur la Fig. 4) à deux rapports a'étirage et à divers angles. Dans tous les cas, la striction s'établit initialement et se maintient ensuite à l'arête.11
Les résultats sont présentés dans le tableau et dans les diagrammes de la Fig. 5 (pour le rapport d'étirage de 5) et de la Fig. 6 (pour le rapport d'étirage de 6).
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TABLEAU
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Orientation b1 axiale d'un ruban de polypropylène ,
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<tb> Largeur <SEP> (mm) <SEP> du
<tb>
<tb> Essai <SEP> Rapport <SEP> d'étirage <SEP> Angle <SEP> 0 <SEP> T <SEP> (grammes) <SEP> produit <SEP> orienté
<tb>
<tb> N
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> la <SEP> 100 <SEP> 963 <SEP> 3,75
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1b <SEP> 130 <SEP> 763 <SEP> 3,53
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> le <SEP> 5,0 <SEP> 150 <SEP> 450 <SEP> 3,55
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ld <SEP> 180 <SEP> 0 <SEP> 3,03
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> le <SEP> 100 <SEP> 1212 <SEP> 3,70
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1f <SEP> 6,0 <SEP> 130 <SEP> 1138 <SEP> 3,75
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> lg <SEP> 150 <SEP> 800 <SEP> 3,32
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> lh <SEP> 180 <SEP> 0 <SEP> 2,90
<tb>
A titre d'indication de la valeur de l'orientation latérale des rubans résultants,
on peut signaler que le calcul a donné pour l'orientation latérale maximum dans les conditions de cet exemple la valeur de 29,3%.
On constate que 'les surfaces du ruban orienté uniaxia- lement, sans force de compression (c'est-à-dire 0 égale 180 ) sont fortement striées tandis que les surfaces des rubans orien- tés biaxialement'sont, dans tous les cas, sensiblement lisses et unies.
EXEMPLE 2.-
Un ruban en polyéthylène non étiré d'une largeur de 6,25 mm et d'un denier de 10800 est orienté biaxialement en substance de la façon décrite dans l'exemple 1. Le rapport d'éti- rage est de 6,0 et l'angle vaut 100 . La moyenne de 10 mesures de la largeur du produit orienté biaxialement donne la valeur de .4,32 mm. Par contre, l'étirage dans les mêmes conditions mais sans force de compression (c'est-à-dire avec un angle d'étirage 0 de 180 ) donne un produit ayant une largeur moyenne de 3,63 mm.L'orientation latérale obtenue suivant l'invention et dans
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les conditions indiquées est, par conséquent, de 19,3%.
De même que dans l'exemple 1, on constate que les sur- faces du ruban orienté uniaxialement sont fortement striées tandis que les surfaces du ruban orienté biaxialement sont sensi- blement unies et lisses.
EXEMPLE 3.-
On ruban en mousse de polypropylène d'une largeur de 6,25 mm est orienté biaxilament avec un rapport d'étirage de 4,8 et un angle 0 de 1000 de la façon décrite dans les exemples précédents. la largeur moyenne (moyenne de 10 mesures) du pro- duit manufacturé orienté biaxialement est de 4,90 mm.
Au contraire, en l'absence de force de compression (c'est-à-dire lorsque l'angle d'étirage 0 vaut 180 ) la largeur moyenne du produit manufacturé orienté uniaxialement s'établit à 3,72 mm.
L'orientation latérale est de 30,8%.
EXEMPLE 4.-
Un monofilament rond de 6000 deniers en polypropylène est orienté biaxialement de la façon décrite dans les exemples précédents. En utilisant un rapport d'étirage de 6,0 et un angle d'étirage de 100 , on obtient un ruban orienté biaxia- lement d'une largeur de 0,70 mm et d'une épaisseur de 0,175 mm.
Ce produit a des surfaces très lisser sensiblement unies et comporte des bords sensiblement lisses,arrondis et en substance droits.
Lorsque le même mono filament est étiré uniaxialement sans force de compression, on obtient un monofilament essentiellement circulaire d'un diamètre d'environ 0,40 mm.
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A method and apparatus for the biaxial orientation of thermoplastics.
The present invention relates to a method and apparatus for biaxially orienting organic thermoplastic materials.
Manufactured products and in particular films of synthetic organic thermoplastics with biaxial orientation are known. They are generally manufactured by the well known process of blowing ducts. However, they can also be manufactured by a process involving longitudinal stretching followed by lateral stretching carried out with the aid of a ream. Biaxially oriented manufactured products of
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small dimensions such as plates or small sheets, can also be produced by a double-rolling process * in which the second rolling and the consequent reduction in thickness) takes place perpendicular to the first.
Known biaxially oriented tapes or tapes are almost always produced by longitudinally slitting a length of a biaxially oriented film obtained by one of the methods described above. The terms "strip" and "ribbon" are here quasi-synonymous and denote a manufactured product, invoiced thin (usually of a thickness of 0.025 to 0.125 or 0.25 mm) substantially flat, continuous whose width to thickness ratio is at least 3: 1 or ..: 1 and usually 20: 1 to 75: 1 or
80: the much higher ratios reaching, for example,
However, 200 or 300: 1 or even more are possible.
These bands and tapes are generally suitable for the applications for which they are intended, but they have the disadvantage of having rough and jagged edges resulting from slitting. This is the case when the splitting is done by means of the sharpest knives or discs. These irregularities are the cause of the presence in these known tapes of a multitude of points of initiation of a tear. In addition, these irregularities adversely affect the appearance of the ribbons. On the other hand, the production of ribbons or webs by slitting requires relatively complicated and expensive apparatus and methods.
The Applicant has now discovered that it is possible to biaxially orient products manufactured from synthetic organic thermoplastics by a process whereby these products are stretched in one direction so that a necking occurs at the junction of the unregulated regions. stretched, and stretched products, while a compressive force is normally exerted on this necking. Manufactured products which must be stretched may be in the form of a film.
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cules, ribbons or bands, or even monofilaments.
In accordance with a preferred embodiment of the invention, the manufactured product is passed over a substantially straight bearing edge and stretched under conditions such that the necking coincides with the bearing edge. The angle 0 by that direction of the unstretched manufactured product moving towards the bearing edge and by the direction of the stretched product which leaves the bearing edge being 5 to 1750 and in particular 90 to 175. In this embodiment of the invention, the modification of the path of the manufactured product, which is manifested at the level of the bearing edge, means that the compressive force which is normal to the necking, does not result application of external pressure.
The biaxially oriented tapes and bands obtained according to the invention can have various very precise widths and have a substantially smooth and flat surface and substantially smooth and rounded edges.
The process according to the invention allows the bi-axial orientation of manufactured products having virtually any cross section. Thus, the method can be applied to films or filaments of circular, rectangular, oval or elliptical cross-section. It applies in particular to the biaxial orientation of manufactured filamentary products, such as monofilaments, and of tapes or bands. The manufactured products which are to be biaxially oriented can be made from any synthetic organic thermoplastic material which has the property of cold stretching with necking, a specialist's retort expression.
In short, these materials when they are stretched longitudinally or in a straight line (for example in a stretching machine with several cylinders) show a localized deformation, fixed in space, between the stress points. -
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te where the still unstretched and unoriented part of the material is separated by a striction from the stretched part and. oriented which is thinned. If creep effects are not taken into account, only the material constituting the necking zone undergoes true flow. Many synthetic organic thermoplastics are of this type.
Examples are condensation polymers such as polyamides (Nylons), polyesters (such as polyethylene terephthalate); olefin polymers such as polyethylene, polypropylene, copolymers of ethylene and propylene and copolymers of ethylene and butene-1;
vinyl and vinylidene polymers such as polyvinyl chloride, polyvinyl chloride, dene, copolymers of vinyl chloride and of vinylidene chloride with one another or with one or more other vinyl monomers such as acrylic acid, alkyl acrylates, alkyl methacrylates, acrylonitrile or vinyl acetate and, in some cases, polymers such as polystyrene and polymethyl methacrylate. Preferred thermoplastics for the process according to the invention are polyolefins and, in particular, homopolymers and copolymers of ethylene i and propylene.
It goes without saying that the materials used can; contain and, as is usually the case, conventional constituents such as heat and / or light stabilizers, pigments or dyes.
The invention also relates to an apparatus for biaxially orienting, according to the process of the invention, products manufactured from synthetic organic thermoplastics. This apparatus comprises a substantially rectilinear bearing edge, a device for moving the product.
Manufactured in contact with this edge, so that the direction of the path of the manufactured product is changed, to the bearing edge of an angle 0 from 5 to 1750 while the manufactured product is
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found soun1s at a stretching tension such that it ic, a * f .. a necking. Preferably, the bearing edge of the apparatus
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is the front edge of a plate which includes of px. <.: 4Lw also a heater.
The device allowing to? The article of manufacture preferably comprises a pair of draw rollers from which the article of manufacture is P. ;; 1C: s the backing edge and a pair of draw rollers stretching the material at the level of the bearing edge, the second pair of rollers being moved, when the apparatus is in service, at a peripheral speed greater than that of the first pair.
The method and apparatus according to the invention will be further described by way of example only with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 is a plan view, with a magnification of in-!
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approximately 75X of a band or ribbon oriented b1ax1ale: born by: the process according to the invention, parts of which have been torn off to allow certain comparisons with bands or
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ribbons produced by splitting Fig. 2a is a sectional view, at about 90X magnification taken along line 2a-2a of FIG. 1;
Fig 2b is a sectional view taken along the line
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2b-2b of FIG. 1; Fig. 3 shows chemically a product manufactured in Dlat1èr e therl11ople.st:Lque which is not being oriented by the process according to the invention;
Fig. 4 is a side elevational view which schematically illustrates one form of apparatus according to the invention; Fig. 5 is a diagram showing the variation of the
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web width produced at various draw angles according to the invention and with a constant draw ratio of 5;
Fig. 6 is a diagram similar to that of FIG.
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but showing the variations in width for a straight ratio.
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coaotant rage of 6.
In the drawings ,. 'ig. 1 and 2 show an ox oriented ribbon ::. 3; 10 having a thickness of 0.025 to 0.25 mma exhibiting a width: thickness ratio of 4: 1 to 25: 1 or 30 :, and whose surfaces 11 and 12 are substantially united. -
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It has been attempted that the corresponding surfaces of known monoaxially oriented tapes obtained by linear drawing of rectangular filaments, for example, are extremely ridged.
In addition, the tapes obtained by the process according to the invention have, as best shown in Figs. 2a and 2b, substantially smooth, rounded and substantially straight edges 13 and 14. On the other hand, slit-produced ribbons always have rough, substantially perpendicular and irregular edges such as the edge 15 represented by 24-Le '. 1 ot 2a. Thus, the tapes obtained by the process
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The invention presents an exceptional set of biaxial orientation, of substantially flat and smooth surfaces, and of
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They are essentially smooth, rounded and noticeably straight.
Fig. 3 shows that a continuous manufactured product 16
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such as a ribbon or an unoriented circular roonotilament, is stretched linearly over a substantially straight edge, which substantially coincides with a necking 17. The direction of the path of the manufactured product is changed at the point where. there is necking 17.
Vector arrows along the longitudinal axis of the ribbon, or other manufactured product subject to the orient-
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ttioy?:; gkj.axt; nt tensile forces due to linear stretch- ¯ # V. The direct consequence of this change of direction is tt \ t1: o1aM, on ("vna resulting force which is represented by the arrow voetc, <3lle ',. This force has a component' '- ts, rsiors, represented by the arrow veCt10relle F 'c' i {'1i' 1 \ 'andÍl'C' in substance normally strictly strictianl7 and hence the manufactured product 16 is oriented laterally while simultaneously undergoing linear stretching.
The angle 0 formed
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by the vector arrows F1 and Fc is equal to half of the angle 0 formed by the vector arrows F1 and F2.
The absolute value of the force represented by the vector deflection F1 is between, on the one hand, a minimum, which is the value of the force necessary to overcome the frictional forces and the forces of inertia, in order to ensure the continuity of the movement of the manufactured product from its point of supply to the support edge and, on the other hand, the value of the force at which the manufactured product would deform or undergo a necking before the support edge (this force is called hereafter, for simplicity, the stretching force). This force obviously varies with the configuration of the manufactured product which is subjected to the drawing and with the properties of the synthetic organic thermoplastic material.
It has been found, for example, that the force F1 varies between 0.05 or 0.1 and 1.5 g per denier for ribbons and circular monofilaments of unoriented olefin polymers. The value of this force in any given case can easily be determined by experience.
The value of F2 is between a minimum, which is the force required for stretching, and a maximum which corresponds to the breaking load. As for F1, the value of F2 varies according to the configuration and the composition of the monufactured product 16. In the case of the example which has just been mentioned above with regard to F1, it has been observed that F2 varies between a lower limit of 0.05 to 1.5 g per denier and an upper limit of about 10 g per denier.
The value of Fr can be calculated from the equation
2 2 2
F = F + F + 2F F ces 0 r 1 2 1 2 When the angle 0 is zero, Fc is equal to Fr which, in turn, is equal to the sum of F1 and F2. In this case, the force of com-
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pressure Fc would have the maximum possible value. Although in theory the 0 angle could be zero, in practice this angle will have some other value, so that the effective lower limit for this 0 angle is about 5 and preferably about 15.
When the angle 0 is equal to 180, the compressive force Fc (in the embodiment shown in Fig. 3) is zero, in which case the compressive force, which is necessary according to the invention, must necessarily find its origin. elsewhere than in stretching. Therefore, in order that the compressive force required according to the invention can be created only by the stretching forces F1 and F @, the angle 0 must be less than 180. It is possible to obtain a certain compressive force and, therefore, a certain lateral orientation for any value of angle 0 less than 180, but in practice it is preferred that this angle 0 is not greater than. 175, and preferably 165.
In any case, the compressive force Fc, in the embodiment shown in FIG. 3, cannot exceed the sum of the force required for stretching and the breaking load.
For the ribbons and circular monofilaments of unoriented olefin polymers cited above by way of example for the values of F and F2, this absolute maximum value of Fc is approximately 27 kg.
The compressive stress is, for any given case, the compressive force Fc divided by the surface on which it is exerted. Since the full compressive force is applied to necking 17, the length of which in the path of the manufactured product subjected to orientation is approximately equal to the thickness of the unstretched manufactured product, the area over which is exerts this force, in the embodiment shown in FIG. 3, depends on the product of the useful length of the bearing edge (i.e. the length of this edge which
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is in contact with a stretched article) by the width of the unstretched article.
For example, in the case of stretching a tape with a width of about 6.25 mm, this area is of the order of 1 x 10-4 cm2. Therefore, the compressive stress for olefin polymer ribbons or filaments can range from just greater than zero to as high as about 16800 kg / cm.
In the examples given below, the compressive stresses which are necessary to obtain satisfactory results * do not exceed about 700 kg / cm2.
An indication of the importance of the lateral orientation which allows the process according to the invention to be carried out is given by the following equation:
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% O.L. = 100 ('0' ts - A t'la s where O.L. is the lateral orientation,
Wo is the final width of the manufactured product. oriented, stretched without compressive force, ¯ Ws is the difference between the initial width and the width after stretching without compressive force, ¯ Wa is the difference between the initial width and the width after stretching with simultaneous application of a compression force - pressure exerted in substance normally at the necking.
A preferred form of apparatus according to the invention is shown schematically in FIG. 4 where the bearing edge is the front edge 19 of a plate 18. Given the shape of the plate 18, the angle 0 is necessarily at least 90.
The manufactured product 21 to be oriented is fed from any suitable source (not shown) between counter-rotating guide and feed rollers 20,20. The manufactured product passes over the top of the plate 18 and then descends. by forming an angle (0-90) towards the stretching rollers 22 22 which rotate in opposite directions
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at a peripheral speed greater than that of the rollers 20, 20 in order to linearly stretch the product 21 when it passes over the support edge 19.
Plate 18 is heated to a suitable temperature by any suitable heater (not shown) and / or the speed of rollers 20,20 and 22,22 is suitably adjusted so that the necking occurring in the article of manufacture coincides in substance with edge 19.
Following this positioning of the necking and the change of direction that the manufactured product 21 undergoes, when it passes over the edge 19, a compressive force is exerted on the necking and biaxially orients the manufactured product 21., The biaxially oriented article of manufacture is then stabilized, after passing between the rollers 22, 22 and wrapped or collected by a winder roll 23 or some other suitable device.
It is obvious that the width of the substantially rectilinear bearing edge must be at least equal to that of the manufactured product 21 and that it is usually much greater.
The invention is further illustrated, without being limited, by the following examples in which an apparatus which is substantially identical to that shown in FIG. 4.
The metal plate (18 in Fig. 4) has a length of 5 cm along the path of the manufactured product, a thickness of about 2.5 cm and a width sufficient to accommodate the manufactured product to be stretched. The plate is heated in a suitable manner (eg electrically) to a temperature sufficient to allow stretching and localize the necking in the manufactured product, substantially at the leading edge 19 of the plate.
The draw ratios referred to in the examples are the ratios between the peripheral speed j of the draw rollers 22,22 and the peripheral speed of the
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feed rollers 20.20.
The value of the forces F1 and F2 is measured using dynamometers.
The angle 0 formed by the change in the direction of the path of the manufactured product subjected to the orientation is measured directly.
The value of the compressive force, which is essentially normal to the necking (called in the examples Tc, this symbol having the same meaning as the symbol Fc used in the description given above) is determined by graphic vector addition of the forces. F1 and F2 to establish the value of the resultant force Fr, then by projecting the vector of Fr on the line 0/2 (that is to say the line forming the angle 8 with the vector of the force F1 on the Fig. 3).
The widths of biaxially oriented manufactures are optically measured.
EXAMPLE 1.-
In this example, the manufactured product to be oriented is an unstretched polypropylene tape 6.25mm wide and 7700 denier. The plate (18 in Fig. 4) is heated to about 130mm. vs.
The unstretched tape is stretched over the bearing edge (front edge 19 in Fig. 4) at two stretch ratios and at various angles. In all cases, the striction is established initially and then maintained at the ridge.11
The results are shown in the table and in the diagrams of Fig. 5 (for the draw ratio of 5) and FIG. 6 (for the draw ratio of 6).
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BOARD
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Axial b1 orientation of a polypropylene tape,
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<tb> Width <SEP> (mm) <SEP> of
<tb>
<tb> Test <SEP> Drawing ratio <SEP> <SEP> Angle <SEP> 0 <SEP> T <SEP> (grams) <SEP> product <SEP> oriented
<tb>
<tb> N
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> the <SEP> 100 <SEP> 963 <SEP> 3.75
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1b <SEP> 130 <SEP> 763 <SEP> 3.53
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> the <SEP> 5.0 <SEP> 150 <SEP> 450 <SEP> 3.55
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ld <SEP> 180 <SEP> 0 <SEP> 3.03
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> the <SEP> 100 <SEP> 1212 <SEP> 3.70
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1f <SEP> 6.0 <SEP> 130 <SEP> 1138 <SEP> 3.75
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> lg <SEP> 150 <SEP> 800 <SEP> 3.32
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> lh <SEP> 180 <SEP> 0 <SEP> 2.90
<tb>
As an indication of the value of the lateral orientation of the resulting tapes,
it can be pointed out that the calculation gave for the maximum lateral orientation under the conditions of this example the value of 29.3%.
It is found that the uniaxially oriented tape surfaces without compressive force (i.e. 0 equals 180) are strongly ridged while the biaxially oriented tape surfaces are, in all cases, noticeably smooth and even.
EXAMPLE 2.-
An unstretched polyethylene tape 6.25 mm wide and 10800 denier is biaxially oriented substantially as described in Example 1. The draw ratio is 6.0 and the angle is 100. The average of 10 measurements of the width of the biaxially oriented product gives the value 4.32 mm. On the other hand, stretching under the same conditions but without compressive force (that is to say with a stretching angle 0 of 180) gives a product having an average width of 3.63 mm. obtained according to the invention and in
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the conditions indicated is, therefore, 19.3%.
As in Example 1, it is found that the surfaces of the uniaxially oriented tape are strongly ridged while the surfaces of the biaxially oriented tape are substantially even and smooth.
EXAMPLE 3.-
The 6.25 mm wide polypropylene foam tape was biaxilamentally oriented with a draw ratio of 4.8 and an angle 0 of 1000 as described in the previous examples. the average width (average of 10 measures) of the biaxially oriented article is 4.90 mm.
On the contrary, in the absence of a compressive force (i.e. when the draw angle 0 is 180) the average width of the uniaxially oriented article is 3.72 mm.
The lateral orientation is 30.8%.
EXAMPLE 4.-
A 6000 denier round polypropylene monofilament is biaxially oriented as described in the previous examples. Using a draw ratio of 6.0 and a draw angle of 100, a biaxially oriented tape with a width of 0.70 mm and a thickness of 0.175 mm was obtained.
This product has substantially smooth, very smooth surfaces and has substantially smooth, rounded and substantially straight edges.
When the same monofilament is uniaxially stretched without compressive force, a substantially circular monofilament with a diameter of about 0.40 mm is obtained.