<Desc/Clms Page number 1>
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
<Desc/Clms Page number 2>
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-
<Desc/Clms Page number 3>
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-
<Desc/Clms Page number 4>
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
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1
trouve soun1s à une tension d'étirage telle qu'il ic ,a* f.. une striction. De préférence, l'arête d'appui de 1'appareil
EMI5.2
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- !
EMI5.3
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
EMI5.4
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
EMI5.5
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
EMI5.6
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.
EMI5.7
mais montrant les variations de la largeur pour un rapport dedti-
<Desc/Clms Page number 6>
EMI6.1
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-
EMI6.2
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
EMI6.3
suivwrs Invention présentent un ensemble exceptionnel d'orienta- tion biaxiale, do surfaces sensiblement plates et lisses, et de
EMI6.4
boT'ils essentiellement lisses, arrondis et sensiblement droits.
La Fig. 3 montre qu'un produit manufacturé continu 16
EMI6.5
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-
EMI6.6
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
<Desc/Clms Page number 7>
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-
<Desc/Clms Page number 8>
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
<Desc/Clms Page number 9>
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 :
EMI9.1
% 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
<Desc/Clms Page number 10>
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
<Desc/Clms Page number 11>
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).
<Desc/Clms Page number 12>
TABLEAU
EMI12.1
Orientation b1 axiale d'un ruban de polypropylène ,
EMI12.2
<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
<Desc/Clms Page number 13>
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.