La présente invention concerne la formation
de feuilles et pellicules d'un ou plusieurs polymères directement à partir d'une poudre de ce ou ces polymères par une compression continue de compactage entre des cylindres, et
les produits ainsi obtenus.
Les procédés classiques pour transformer des matières polymères thermoplastiques en des articles façonnés comprennent l'extrusion, la coulée, le moulage par injection
et d'autres techniques de formage à chaud. Ces techniques impliquent couramment trois étapes fondamentales : (1) la fusion ou le ramollissement de la matière thermoplastique ;
(2) le façonnage du polymère fondu ou ramolli, avec ou sans application d'une pression, dans une cavité de moule, dans
une presse ou à travers une filière ; et (3) le refroidissement de l'objet façonné à sa forme finale. Cependant, ce
mode opératoire devient délicat à mettre en oeuvre lorsqu'il s'agit de traiter des sections épaisses et il ne convient absolument pas dans le cas des polymères très visqueux, à
poids moléculaire ultra élevé ou ceux présentant un point
de fusion très élevé. Par ailleurs, l'intérêt accordé à ces deux dernières catégories de matières thermoplastiques
augmente rapidement en raison de leurs remarquables propriétés thermiques et mécaniques.
Le formage à froid, c'est-à-dire le façonnage d'une matière au-dessous de son point de fusion, est une technique de traitement qui a été bien développée en métallurgie mais qui n'est appliquée que récemment dans le domaine des polymères. La plupart de ces applications récentes aux polymères impliquent l'estampage et le forgeage, l'usinage, l'emboutissage et éventuellement l'emboutissage profond, le traitement à froid par un ou plusieurs cylindres ou l'extrusion à froid. Dans tous ces procédés, il faut une matière
de départ ayant la forme d'une feuille ou billette de section relativement épaisse, qui est elle-même habituellement préparée par extrusion à chaud. La combinaison d'un formage
à chaud suivi d'un formage à froid et, dans le cas d'un usinage, la production de déchets qui peuvent ou non être réutilisables, augmentent le prix de revient de l'opération globale de façonnage et représente un inconvénient technique et économique important. Néanmoins, il existe des incitations considérables tendant à appliquer des techniques de formage froid au façonnage des matières thermoplastiques. Par exemple, les pièces sont façonnées entièrement à l'état solide et,puisqu'il n'y a pas de changement de phase qui risquerait, sinon, de provoquer du retrait et de la distorsion, on facilite ainsi le maintien de tolérances dimensionnelles strictes. De même, on obtient souvent une amélioration de certaines propriétés techniques de la matière.
Généralement, pour qu'une matière polymère thermoplastique soit formable en phase solide, elle doit présenter de la ductilité et de la solidité mécanique. Des matières de ce type qui sont formées à froid comprennent des copolymères de l'acrylonitrile, du butadiène et du styrène
(résines "ABS"), de l'acéto-butyrate de cellulose, des polycarbonates, des polysulfones, du chlorure de polyvinyle
(PVC) et des polyoléfines (par exemple du polyéthylène à grande densité et à poids moléculaire élevé). La plupart de
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du point de fusion ou de la température de transition vitreuse du polymère.
La technologie de traitement des poudres a été pleinement mise au point pour des métaux, domaine dans lequel elle s'est avérée dans de nombreux cas être plus intéressante que le forgeage à chaud et le traitement d'une masse fondue, c'est-à-dire la coulée. Dans le domaine des polymères, cependant, il n'a été effectué qu'un nombre relativement faible d'études et d'investigations, de nature préliminaire, comme on le voit par exemple dans les publications suivantes : D.M. Bigg "High-Pressure Molding of
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(Reinhold 1958) ;
G.W. Halldin et I.L. Kamel "Powder Processing of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene ; I. Powder Characterization and Compaction" /Traitement de la poudre
de polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé ; 1. Caractérisation et compression de compactage de la poudre7, Polymer Engineering and Science, 17(1), 21 (1977) ;
G.W. Halldin et I.L. Kamel "Powder Processing of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene, II. Sintering" /Traitement de poudre de polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé ; II. Frittage%, 35th Annual Technical Conference, Society of Plastics Engineers, 298 (1977) ;
G.S. Jayaraman, J.F. Wallace, P.H. Geil et
E. Baer "Cold Compaction Molding and Sintering of Polystyrene" /Moulage et frittage de polystyrène avec compression à froid_7, Polymer Engineering and Science, 16(8), 529 (1976) ;
Brevet des Etats-Unis d'Amérique N[deg.] 2 067 025
(Schmidt, 1937), pour "Procédé pour transformer du chlorure de vinyle polymérisé en de minces feuilles, et produit pouvant être ainsi obtenu";
Brevet des Etats-Unis d'Amérique N[deg.] 2 528 529
(Lyon ; 1950) pour "Procédé et appareil de formage d'une matière plastique";
Brevet des Etats-Unis d'Amérique N[deg.] 2 920 349
(White ; 1960) pour "Pellicules de polyéthylène"; et
Brevet des Etats-Unis d'Amérique N[deg.] 2 928 133
(Schairer ; 1960) pour "Procédé de production d'une matière en feuille".
On accorde une attention croissante à des polymères spéciaux, comme du polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé (PE-PMUE), du poly(tétrafluoréthylène) et du poly(benzimidazole) en raison de leurs propriétés mécaniques et/ou thermiques remarquables. Malheureusement, ces propriétés limitent également la possibilité de mettre en oeuvre
de tels polymères par des techniques classiques de formage
à chaud et à froid. Par ailleurs, des techniques de formage de poudre semblent offrir des possibilités intéressantes de résoudre autrement le problème du façonnage de telles matières. Comme indiqué ci-dessus, le traitement classique
des poudres ne sert que dans une mesure très limitée à façonner des polymères thermoplastiques et il ne s'est par contre pas avéré capable d'être mis largement en oeuvre à l'échelle industrielle. Il existe donc un besoin concernant des techniques de traitement améliorées de poudres, pouvant tirer pleinement avantage des propriétés des polymères en général et des propriétés remarquables des matières spéciales précitées en particulier, pour produire à de grandes vitesses globales de production de la pellicule et de la feuille mince qui ne se déchirent pas.
Donc, la présente invention vise à proposer :
- de nouveaux procédés pour produire des objets façonnés en forme de pellicules, que l'on obtient directement à partir de poudres de polymères thermoplastiques ;
- des objets thermoplastiques façonnés en forme de pellicules,ayant de meilleures propriétés et qui ont été formés directement à partir de poudres de polymères thermoplastiques ; et
- un appareil pour produire des objets façonnés en forme de pellicules, directement à partir de poudres de polymères thermoplastiques.
On parvient aux buts précités, selon la présente invention, grâce à la découverte d'un procédé selon lequel de la matière polymère thermoplastique en poudre,
qui est à façonner, est introduite directement en provenance d'une trémie dans l'intervalle existant entre deux cylindres chauffés. La matière est ainsi comprimée et compactée en
une feuille ou une pellicule ayant l'épaisseur voulue.
Le procédé de l'invention comprend l'envoi d'une poudre fluide de polymère thermoplastique dans la zone de resserrement ou de rapprochement maximal de deux cylindres de compression à rotation coordonnée, de sorte que
la matière polymère d'alimentation passe entre les cylindres qui la compriment et la compactent et provoquent la coalescence des particules en un objet façonné qui sort ensuite, sous forme d'une feuille ou pellicule, de l'espace situé entre les cylindres. Pendant cette opération, la vitesse circonférentielle des cylindres est maintenue essentiellement égale à la vitesse linéaire de la feuille ou pellicule sortant de l'intervalle situé entre les cylindres. La feuille ou pellicule est retirée de cet intervalle situé entre les cylindres, sous une tension mécanique correspondant à une force ajustée de manière à ne pas excéder la limite élastique de la feuille ou pellicule constituant le produit résultant.
Dans un autre aspect de l'invention, celle-ci propose un appareil pour produire des objets façonnés en forme de feuille ou de pellicule, directement à partir de poudres de polymères thermoplastiques, appareil qui comporte deux cylindres de compression destinés à coopérer pour tourner de manière coordonnée afin de comprimer et de provoquer la coalescence de la poudre du polymère se trouvant dans
la zone de rapprochement maximal des cylindres. L'appareil comprend un dispositif d'entraînement., destiné à faire tourner de manière coordonnée les cylindres, et une trémie destinée à recevoir la poudre polymère et à l'introduire à un débit prédéterminé dans la zone de rapprochement maximal
des cylindres. Dans une forme de réalisation de l'invention, la trémie est conçue de manière à maintenir la poudre polymère d'alimentation physiquement et thermiquement isolée
des surfaces des cylindres avant que la poudre ne parvienne dans la zone de rapprochement maximal des cylindres. L'appareil comporte également un dispositif destiné à retirer
la feuille ou pellicule de la zone de rapprochement maximal des cylindres et à appliquer à cette feuille ou pellicule une tension mécanique correspondant à une force n'excédant pas la limite élastique de ladite feuille ou pellicule.
Des polymères qui conviennent pour être mis
en oeuvre dans la présente invention sont des polymères thermoplastiques filmogènes comme des polyoléfines linéaires,
(par exemple du polyéthylène, du polypropylène) , des polyamides, des polyhalogéno-oléfines (par exemple du chlorure
de polyvinyle), des polymères perfluorés (par exemple du polytétrafluoréthylène), un polymère d'acrylonitrile, de butadiène et de styrène ; des polycarbonates, des polysulfones, et des esters de la cellulose (par exemple de l'acétate, du diacétate et du triacétate de cellulose). La poudre polymère d'alimentation présente avantageusement une granulométrie uniforme. Le polymère peut être constitué
i d'un seul polymère ou bien de plusieurs compositions polymères entièrement mélangées ("en mélange mutuel") ou sous forme de couches stratifiées, comme décrit ci-après. La poudre d oit être mobile, c'est-à-dire pouvoir s'écouler librement, ce qui dicte la valeur de la dimension minimale des particules ; la limite supérieure de la dimension des particules est dictée ou régie par l'épaisseur de la feuille ou pellicule que l'on souhaite obtenir.
Dans un autre aspect de l'invention, il a été trouvé que sous certaines conditions du traitement de passage entre des cylindres, on peut traiter des matières polymères thermodurcissables pour former des feuilles continues. Con-
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thermodurcissables ne subissent pas de coalescence et ils
se solidifient à nouveau après applic ation d'un chauffage.
Il a cependant été trouvé que l'on peut souder à froid, par la pression des cylindres à des températures modérément élevées, des poudres de polymères thermodurcissables.
Le procédé de l'invention pour traiter des résines de matière plastique thermodurcissable est mis en oeuvre à une température suffisamment élevée pour contribuer au soudage à froid des points de contact des particules. Dans un exemple, on mélange 75 % en poids d'une résine phénolique fabriquée par Hooker Chemicals sous la marque commer-
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(cembro) ayant moins de 0,177 mm. On traite le mélange entre des cylindres à la température d'environ 124[deg.]C. Dans un au-
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formaldéhyde, fabriquée par American Cyanamid sous la marque commerciale "Bettle" avec 25 % en poids de particules de pin cembro ayant moins de 0,177 mm. On traite le mélange entre des cylindres à la température d'environ 116[deg.]C.
On met en oeuvre le procédé de l'invention pour le traitement des thermoplastiques à une température inférieure à leur point de fusion, mais qui est assez élevée pour assurer la coalescence des particules et l'obtention de la résistance optimale à la traction de la pellicule fabriquée. La température de la matière thermoplastique d'ali-mentation dépend de la température des cylindres, lesquels sont uniformément chauffés de manière à maintenir la température voulue uniformément dans toute l'alimentation polymère se trouvant dans l'intervalle situé entre les cylindres. La température à laquelle les cylindres sont chauffés pour obtenir une température donnée du polymère d'alimentation dépend de la vitesse circonférentielle des cylindres d'entraînement. La température des cylindres est d'autant plus élevée que la vitesse est plus grande, et inversement.
En plus de la température, certains autres facteurs déterminent le résultat du procédé. Ainsi, il convient de régler la pression exercée par les cylindres de manière qu'elle soit suffisamment élevée pour réaliser une densification complète (c'est-à-dire une densité qui corresponde essentiellement à la densité maximale de la matière en vrac) du produit et pour conférer à ce produit la plus grande résistance mécanique. On ajuste le débit d'alimentation des cylindres en poudre de polymère de manière à correspondre à la pression exercée par les cylindres et à l'épaisseur de pellicule voulue.. tout en obtenant une pleine densification du produit. On fait fonctionner les cylindres, de préférence
à la même vitesse circonférentielle, qui est ajustée de manière à correspondre aux autres paramètres. Généralement,
la vitesse maximale des cylindres est déterminée par l'exigence selon laquelle la poudre polymère d'alimentation doit être uniformément chauffée à la température voulue au moment où elle pénètre dans la zone de rapprochement maximal des cylindres. La limite inférieure de la vitesse des cylindres de compression (cylindres de travail) est déterminée principalement par le débit de production voulu .
L'invention convient bien pour la production d'une pellicule ou de feuilles d'une matière polymère, ayant des épaisseurs voulues se situant dans une très large gamme, directement à partir de la poudre polymère. Le procédé convient particulièrement bien pour produire des pellicules ou feuilles ayant une épaisseur uniforme prévisible comprise entre 63,5 microns et 1,25 mm. Le produit est retiré des cylindres à une tension mécanique d'enlèvement qui permet l'établissement d'un "point neutre", c'est-à-dire un état dans lequel la vitesse linéaire ou circonférentielle des cylindres est égale à la vitesse de la matière sortant de
la zone de rapprochement maximal desdits cylindres de travail.
Aux fins du présent exposé, "l'arc d'entrée" est l'arc de la partie de circonférence de la surface des cylindres de travail interceptée par l'angle correspondant
à la zone de rapprochement des cylindres et à leur action
de compactage. L'arc d'entrée est ainsi fonction du diamètre du cylindre de travail. Il influe sur la quantité de matière d'alimentation attirée dans "l'intervalle entre
les cylindres" ou "l'entrée des cylindres", qui est la région située entre les cylindres de travail et qui précède immédiatement l'arc d'entrée. La quantité de matière attirée dans la zone de l'arc d'entrée va déterminer l'épaisseur de la feuille ou pellicule ainsi que ses propriétés. Pour un diamètre donné de cylindre, la quantité de matière pouvant être projetée ou attirée dans la zone de l'arc d'entrée sera constante. En diminuant l'arc d'entrée pour
un diamètre donné de cylindre, on peut simuler le comportement d'un cylindre ayant un plus faible diamètre. On peut
y parvenir grâce à une conception et un dessin appropriés
de la trémie d'alimentation qui commande en fait l'épaisseur de la matière en poudre entre les arcs d'entrée des cylindres de travail. La nécessité de la régulation de cette épaisseur de l'alimentation risque de se préssnter, par exemple, lorsque la matière d'alimentation est un mélange de poudres de densités différentes (par exemple dans le cas de deux ou plusieurs polyoléfines) et que l'on désire obtenir la même densité du produit.
En ce qui concerne les surfaces des cylindres, la quantité de poudre polymère attirée dans la zone de rapprochement maximal des cylindres est d'autant plus grande
que la surface des cylindres est plus grossière ou plus rugueuse. Généralement, les surfaces des cylindres de travail ont un degré d'égalisation d'état de surface, ou de fini,
tel que les irrégularités de surface varient de 25,4 à 254 nm et de préférence entre 101 et 152 nm. Les surfaces des cylindres de travail peuvent présenter un léger galbe convexe, bien que la convexité du galbe des cylindres ne soit pas essentielle pour la pratique de l'invention. Par exemple, lorsqu'on forme une feuille de polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé de 15,2 cm de largeur et de 0,127 mm d'épaisseur en utilisant des cylindres en acier inoxydable de 15,2 cm de diamètre et de 30,5 cm de longueur, un galbe convexe de 1,27 micron conviendrait bien. Le choix d'autres galbes convenables va dépendre de facteurs comme le type
de poudre traitée entre les cylindres, l'épaisseur de la pellicule produite, la vitesse des cylindres et la pression qu'ils exercent, et la température. L'application de ces facteurs pour le choix d'un galbe ou d'une convexité apparaîtra aux experts en ce domaine souhaitant mettre à profit le présent exposé.
Les buts de l'invention indiqués ci-dessus, ainsi que d'autres encore et une meilleure compréhension de l'utilité et de l'avantage de l'invention, ressortiront de l'étude de la description suivante, faite à titre illustratif et nullement limitatif, de quelques formes préférées de réalisation, en regard des dessins annexés sur lesquels :
les figures 1 et 2 sont des vues partielles, en coupe, de deux broyeurs différents à cylindres de compactage ou compression selon l'invention, chaque broyeur comprenant deux cylindres de travail et une trémie d'alimentation destinée à alimenter les cylindres en une matière dosée continuellement lors de la fabrication d'une pellicule de polymère thermoplastique ;
les figures 3 et 4 sont des vues partielles en élévation de broyeurs à cylindres semblables à ceux des figures 1 et 2 et montrant des structures différentes de la trémie d'alimentation ; et
les figures 5A et 5B sont des photomicrographies de la matière polymère en feuille formée selon l'invention, et d'une matière en feuille formée de manière classique par découpage d'un bloc de matière polymère, respectivement.
Sur les figures, les mêmes éléments de structure sont désignés par les mêmes indices de référence. Des
lettres sont ajoutées en suffixe pour désigner, lorsque cela
est nécessaire, des éléments particule? ..
Dans la mise en oeuvre de l'invention et dans
les exemples ci-après, une trémie alimente continuellement,
en une matière polymère thermoplastique en poudre à façonner,
un intervalle situé entre deux cylindres de travail de compression ou compactage, chauffés et tournant de manière coordonnée pour coopérer. Les cylindres compriment la matière,
sous l'effet de la chaleur et de la pression, en une feuille
ou pellicule ayant l'épaisseur ou le calibre voulu. La matière peut être un polymère comme du polyéthylène ou du polypropylène dont lcs dimensions particulaires peuvent se situer
entre 0,59 mm environ et 0,044 mm environ. De préférence, la matière est une poudre de polytéthylène à poids moléculaire ultra élevé (PE-PMUE).
On voit sur les figures 1 et 2 que des cylindres de compression 12 et 14 sont montés sur des arbres parallèles (non représentés) de façon à pouvoir tourner et sont entraînés par un dispositif d'entraînement (non représenté)
de manière à tourner dans le sens des flèches se dirigeant
vers un intervalle d'entrée 16. Les cylindres 12 et 14 sont parallèles et disposés dans un plan horizontal commun, de
façon à placer l'intervalle d'entrée 16 verticalement au-
dessus de la zone de rapprochement maximal des cylindres.
Les cylindres 12 et 14 sont entraînés de préférence à la
même vitesse linéaire de rotation (c'est-à-dire la même vitesse circonférentielle).
Le dispositif d'entraînement peut comprendre
n'importe quelle structure ou n'importe quel dispositif classique dans le domaine de l'entraînement des cylindres, tel
qu'un dispositif relié à l'arbre de chaque cylindre de façon à permettre un ajustement relatif des cylindres 12 et
14 dans la zone de l'intervalle 16. De préférence, les cylindres 12 et 14 sont placés de manière à assurer un angle
a, d'environ 7 à 8[deg.], d'interception de la zone de rapprochement maximal desdits cylindres.
Les cylindres 12 et 14 peuvent exercer une pression prédéterminée de compression ou compactage afin
de produire une feuille ou pellicule 13 par compression directe de la matière 11 en poudre. Les cylindres 12 et
14 peuvent présenter n'importe quel diamètre convenable. Cependant, les diamètres des cylindres 12 et 14, qui sont
de préférence égaux, constituent l'un des divers paramètres influant directement sur l'épaisseur de la feuille ou pellicule 13 résultante. Un diamètre de cylindre de 15,2 cm a servi avec succès à la réalisation d'une compression directe de la poudre polymère entre les cylindres, et des cylindres ayant un plus grand diamètre ont également servi avec succès. La vitesse linéaire de la périphérie des cylindres 12 et 14, les caractéristiques des surfaces de ces cylindres et le type de matière introduite dans la région de l'intervalle 16, constituent des paramètres supplémentaires influant directement sur l'épaisseur de la feuille ou pellicule 13.
Par exemple, on peut affirmer qu'en règle générale, l'épaisseur de la feuille ou pellicule 13 obtenue sera d'autant plus grande que le diamètre des cylindres 12 et 14 est plus grand, que la surface des cylindres présente des caractéristiques de plus grande rugosité et que le volume de matière alimentant la région de l'intervalle 16 est plus grand. En ce qui concerne la vitesse de rotation des cylindres 12 et 14, si cette vitesse augmente alors que les autres paramètres restent constants, l'épaisseur de la feuille ou pellicule 13 diminue.
La longueur des cylindres de compression ou de travail 12 et 14 est celle s'avérant nécessaire, dans la fabrication de la feuille ou pellicule, pour répondre et correspondre aux considérations touchant à la largeur du produit. Par exemple, les cylindres 12 et 14 peuvent présenter une longueur suffisante pour permettre de fabriquer une feuille ou pellicule 13 ayant une largeur d'environ 1,5 à 1,3 m. En outre, les cylindres 12 et 14, ou tout au moins un anneau externe de ces cylindres, sont avantageusement réalisés en une matière ayant une bonne conductibilité thermique. Une matière préférée pour cela est de l'acier coulé lorsque le procédé est mis en oeuvre à des températu-. res n'excédant pas 177[deg.]C, et de l'acier pour haute température lorsqu'on applique des températures plus élevées.
Comme indiqué, le procédé de l'invention comporte le chauffage de la matière particulaire 11 d'alimentation et la compression de cette matière entre les cylindres 12 et 14. Chacun des cylindres 12 et 14 peut comporter une partie centrale ou âme particulière ou être formée autrement, de manière à loger un élément de chauffage (non représenté) capable d'être réglé à une température donnée
ou dans une gamme de températures. On peut utiliser n'importe quelle forme d'élément classique de chauffage et de dispositif de réglage, comme un fluide chauffé qui circule au sein des cylindres afin de maintenir à une température uniforme la surface de ces cylindres.
La présente invention envisage plusieurs structures de la trémie 10. Chaque trémie sert de réservoir
de la matière 11 qui est introduite continuellement dans la région de l'intervalle 16. La trémie 10a peut être conçue
de manière à recevoir la matière d'alimentation 11, en provenance d'un dispositif (non représenté), à un débit sensiblement égal à celui auquel la matière est envoyée vers l'intervalle 16, afin de maintenir à un niveau voulu dans
la trémie la quantité de matière de réserve. Dans la forme représentée sur la figure 1, la trémie 10a comporte une surface supérieure 18 à laquelle peut être reliée une structure d'alimentation de la matière 11, ainsi que deux parois latérales 20 et 22. Ces parois latérales s'étendent vers les cylindres 12 et 14 sensiblement sur toute leur longueur.
Deux autres parois latérales, comprenant une paroi extrême
24 et une paroi à l'extrémité opposée (non représentée) complètent la trémie 10a, en délimitant ainsi une enceinte ayant en coupe une forme plus ou moins rectangulaire. Les parois extrêmes mentionnées en dernier lieu sont galbées
de manière à épouser sensiblement le contour des cylindres
12 et 14 afin d'éviter une perte de la matière 11. On voit sur les figures 1 et 2 que les parois latérales 20 et 22 comprennent des parties de paroi 20a et 22a (figure 1) et 20b et 22b (figure 2) à contour galbé, sensiblement concentriques à la surface des cylindres 12 et 14, de manière à s'étendre vers l'intervalle 16. Sur la figure 1, les parties de paroi 20a et 22a descendent approximativement à
la même hauteur et, avec la paroi extrême 24 (et l.a paroi extrême opposée non représentée), elles forment une sortie doseuse 26 au bord inférieur de la trémie. La sortie doseuse 26 a la forme d'une fente rectangulaire. La longueur de la sortie correspond sensiblement à celle des cylindres
12 et 14 afin d'assurer un écoulement uniforme, sur toute cette longueur, de la matière 11 d'alimentation vers l'intervalle 16. La largeur de la sortie 26 peut être de l'ordre d'environ 1,5 mm pour mesurer et doser l'écoulement de la matière 11. Dans la forme représentée sur la figure
1, la matière 11 sort de la trémie 10a en un courant tombant librement le long d'un trajet qui suit généralement' une ligne tangente aux cylindres 12 et 14.
La figure 2 montre une structure de trémie un peu semblable et qui comprend deux parties 20b et 22b de paroi. L'une des parties de paroi, par exemple la partie 22b, est plus longue que l'autre partie 20b de paroi, de manière à former une sortie 28 délimitée par les bords inférieurs de chaque partie de paroi entre la paroi extrême 24 et la paroi extrême opposée (non représentée). Dans la structure
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dant, en raison de la disposition des éléments formant la sortie 28 et de la différence de leur emplacement en hauteur, un débit dosé de matière 11 sera déversé, projeté ou dirigé contre la surface du cylindre 12. La matière en poudre 11 ainsi projetée se déplacera en cascade à la surface du cylindre 12, ce qui augmente le temps de contact.
Par sa forme et ses dimensions, la trémie doit jouer plusieurs rôles. Par exemple, la trémie doit retenir la matière 11 d'alimentation tout en présentant une sortie qui dose de façon appropriée la matière envoyée vers l'intervalle au sein duquel la matière est chauffée.
Sur la figure 1, la matière 11 est chauffée par convection, c'est-à-dire exposition du mince courant de matière tombant de cette trémie à la chaleur émanant des cylindres 12 et
14, cependant que sur la figure 2, la chaleur provient du contact direct entre la matière 11 et la surface du cylindre 12 sur lequel elle est "projetée". Dans ces formes de réalisation, la structure de la trémie évite une perte de matière 11 par les côtés et sert également à fabriquer une feuille ou pellicule 13 d'épaisseur inférieure à celle que l'on obtiendrait dans d'autres conditions. Pour cela, les trémies des figures 1 et 2 dosent ou limitent la quantité de matière 11 fournie à l'intervalle 16. La forme de la
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de rotation des cylindres 12 et 14, puisque la matière 11 peut être chauffée plus rapidement en raison du contact direct entre cette matière 11 et les cylindres 12 et 14.
La figure 3 montre une forme de structure générale de trémie selon l'invention destinée à alimenter l'intervalle 16 entre les cylindres en de la poudre de <EMI ID=8.1>
empêcher la poudre 11 de toucher les cylindres 12 et 14 tout en dosant une quantité de poudre destinée à produire une mince feuille 13. La quantité de matière 11 en poudre est assez faible pour qu'il existe une bonne transmission de chaleur des cylindres 12 et 14 à la poudre. Ce dispositif permet également une plus grande vitesse de production dans le cas d'une feuille mince.
La figure 4 montre une structure de trémie selon l'invention, destinée à produire une bande plus épaisse de polymère. Dans cette forme de réalisation, on laisse la poudre 11 venir au contact des cylindres 12 et 14. La zone du contact avec la surface des cylindres peut s'étendre jusqu'au sommet de ces cylindres, si on le désire. Dans ce cas, le centre 15 de la trémie lOd ne contient pas de poudre. Si le centre contenait de la poudre, il laisserait pénétrer dans l'intervalle 16 de la poudre dont la température ne serait pas assez élevée. Le mouvement de rotation des cylindres 12 et 14 attirerait dans l'intervalle 16 de la poudre qui, située à la surface des cylindres, aura été chauffée par ce contact. Mais de la poudre provenant du centre, et qui a une plus basse température, serait également attirée dans l'intervalle 16.
En éliminant une introduction de poudre par la zone centrale, on élimine cet état de choses inopportun.
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servir avec des compositions de poudre différentes dans chaque compartiment pour donner un produit final qui est une feuille stratifiée ou formée de couches après son passage entre les cylindres. De même, une cloison de séparation
(non représentée) peut être installée dans la trémie de la figure 3 pour réaliser la stratification de la feuille obtenue comme produit final après passage entre les cylindres.
Il a été trouvé, pour certaines applications, que des moyens de vibration (non représentés), fixés à la trémie, peuvent faciliter l'écoulement de la poudre ou du mélange vers les cylindres. Cela contribue à garantir un écoulement plus uniforme de la matière.
La figure 5a est une photomicrographie de la matière polymère en feuille formée par compression directe d'une poudre de polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé entre des cylindres, selon l'invention. L'échantillon est éclairé de derrière et, comme on peut facilement le voir, la matière ne comporte virtuellement pas de perforations extrêmement fines. Au contraire, la figure 5b montre la présence de nombreuses perforations extrêmement fines et inopportunes dans une feuille de la même matière et de la même épaisseur, avec éclairage par-derrière de la même façon, dans le cas d'une feuille produite par une technique classique de découpage d'un bloc.
Les exemples suivants sont destinés à illustrer et nullement à limiter le procédé, l'appareil et le produit de l'invention..
Exemple 1
On transforme une certaine quantité de polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé, ayant un point de fusion d'environ 200 à 220[deg.]C (matière de qualité 412 vendue par American Hoechst sous la marque commerciale "HostalenGur") en une feuille ou pellicule en faisant passer la matière, sous forme de poudre, dans la région de l'intervalle situé entre deux cylindres de 30 cm de longueur et de 15 cm de diamètre, montés de façon à pouvoir tourner en coopération autour d'axes horizontaux parallèles. Les cylindres ont en leur centre un galbe (ou une flèche) de 12,5 microns.
La matière est Ensuite comprimée entre les cylindres qui sont placés de manière à présenter un angle de 7 à 8[deg.] correspondant à la zone de rapprochement maximal et sont entraînés à une vitesse d'environ 60 cm par minute. La matière est introduite dans la région de l'intervalle par une trémie telle que celle représentée sur la figure 2, chauffée à une température d'environ 143 à 149[deg.]C et comprimée entre les cylindres de façon à former une feuille ou pellicule d'environ 0,56 mm d'épaisseur, présentant une masse volumique
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pleine densité possible) lorsque la matière est tirée de
la zone de rapprochement maximal des cylindres à une tension mécanique destinée à conserver la planéité de cette matière.
Exemple 2
Le mode opératoire de l'exemple 1 donne une feuille ou pellicule plus mince lorsque les cylindres sont polis avec une toile de verre comportant des grains de
44 microns.
Exemple 3
On répète le mode opératoire de l'exemple 1, sauf que l'on porte à environ 0,94 m par minute la vitesse périphérique des cylindres de travail. On produit une feuille ou pellicule ayant une épaisseur d'environ 0,28 à 0,33 mm.
Exemple 4
On fait passer la matière de l'exemple 1 dans la région de l'intervalle entre deux cylindres de compactage, de 15 cm de diamètre, montés de façon semblable et jouant
un rôle semblable à celui des cylindres de l'exemple 1, sauf que les cylindres sont entraînés à une vitesse périphérique d'environ 3,35 m par minute. La matière est envoyée dans la région de l'intervalle par la trémie de la figure 2, dont la sortie doseuse s'étend le long de l'intervalle et présente une largeur d'environ 0,89 à 1,02 mm. La matière
<EMI ID=11.1>
et elle est comprimée et tirée sous tension mécanique de
la zone de rapprochement maximal des cylindres. La feuille ou pellicule résultante présente une épaisseur d'environ 0,13 à 0,15 mm.
Exemple 5
On donne à une certaine quantité de polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé la forme d'une feuille ou pellicule en faisant passer la matière, sous forme
de poudre, dans la région de l'intervalle situé entre deux cylindres de 15 cm de diamètre, montés pour tourner en coopération autour d'axes horizontaux parallèles. La matière est ensuite comprimée entre les cylindres qui sont placés de manière à présenter un angle de 7 à 8[deg.] correspondant à la zone de rapprochement maximal et entraînés à une vitesse périphérique de rotation d'environ 3,35 m par minute. La matière est envoyée dans la région de l'intervalle, elle est chauffée jusqu'à une température d'environ 124 à 130[deg.]C et elle est comprimée pour former une pellicule ou feuille d'environ 0,53 mm d'épaisseur, présentant une masse volumique d'environ 0,66 g/cm<3>, lorsqu'elle est tirée sous tension mécanique de la zone de rapprochement maximal des cylindres.
Exemple 6
On donne à la matière de l'exemple 1 la
forme d'une feuille ou pellicule en faisant passer cette matière dans la région de l'intervalle entre deux cylindres de 15 cm de diamètre, montés pour tourner en coopération autour d'axes horizontaux parallèles et présentant
un angle d'environ 7 à 8[deg.] correspondant à la zone de rapprochement maximal. Les cylindres ont un diamètre de 15 cm et sont entraînés à une vitesse périphérique d'environ
3,35 m par minute. La matière est maintenue, dans la région de l'intervalle, à une température d'environ 140[deg.]C et directement compactée par les cylindres. Les cylindres sont préchauffés à une température d'environ 130[deg.]C. La feuille résultante présente une épaisseur d'environ 0,51 mm et une masse volumique d'environ 0,82 g/cm lorsqu'elle est tirée
<EMI ID=12.1>
tension mécanique permettant de produire une feuille plane.
Exemple 7
On chauffe la matière d'alimentation de l'exemple 5 jusqu'à une température d'environ 130[deg.]C dans l'intervalle situé entre des cylindres de compression, tournant
<EMI ID=13.1>
cylindres sont préchauffés jusqu'à une température d'environ 149[deg.]C. La feuille ou pellicule résultante présente une épaisseur d'environ 0,56 mm et une masse volumique d'environ 0,66 g/cm<3> lorsqu'elle est tirée sous tension mécanique pour produire une feuille plane.
Exemple 8
On chauffe la matière d'alimentation de l'exem-
<EMI ID=14.1>
Les cylindres sont préchauffés à une température d'environ
149[deg.]C. La feuille de pellicule résultante présente une épaisseur d'environ 0,56 mm et une masse volumique d'environ 0,66 g/cm<3> lorsqu'elle est tirée de la zone de rapprochement maximal des cylindres, une épaisseur résultante d'environ 0,38 mm et une masse volumique d'environ 0,94 g/cm lorsqu'elle est chauffée jusqu'à une température de fusion d'environ 140[deg.]C.
Exemple 9
<EMI ID=15.1> rapprochement maximal des cylindres 12 et 14 est réglée
à une valeur comprise entre 0,89 mm et 1,01 mm. Les cylindres sont entraînés à une vitesse linéaire circonférentielle de 3,35 m par minute et leurs surfaces sont maintenues
à une température d'environ 139 à i45[deg.]C. La matière en feuille ainsi produite présente une épaisseur de 88,9 à 101,6 mi-crons et une masse volumique de 0.94 g/cm . On applique sur la pellicule sortant des cylindres une tension mécanique uniforme suffisante pour donner une matière plane.
Exemple 10
On peut mettre en oeuvre le procédé décrit dans les exemples 1 à 9 en soumettant à une compression entre des cylindres, en même temps que la poudre polymère d'alimentation, une toile métallique de renfort ou d'armature.
Les feuilles de pellicule obtenues peuvent constituer une matière première convenant pour servir à d'autres opér ations de traitement ou mise en oeuvre.
Les particules de la matière d'alimentation du procédé des exemples 1 à 9 peuvent être de dimension uniforme , mais, de préférence, la matière sera constituée de particules dont la dimension se distribue de manière
à correspondre à une gamme allant de particules relativement grossières à des particules relativement fines. Dans ce but, il a été trouvé que le procédé peut être plus efficacement mis en oeuvre par application à une matière dont les particules ne sont pas toutes de dimension uniforme. Voici une distribution typique possible de la dimension des particules :
<EMI ID=16.1>
La matière polymère d'alimentation peut contenir des ingrédients supplémentaires afin de modifier l'aspect et/ou les propriétés du produit. Ainsi, on peut incorporer en diverses quantités à l'alimentation polymère des agents de coloration et des opacifiants comme
du noir de carbone, de la poudre de bois (par exemple de l'écorce de cerisier, de l'écorce d'érable aux feuilles
de frêne, du cembro ou de l'érable), de préférence en par-ticules de moins de 0,177 mm, divers types de poudres de métaux (par exemple du cuivre, de l'aluminium), des oxydes de métaux (par exemple de l'oxyde d'aluminium), des composés du type intermétallique (par exemple du siliciure d'aluminium), des composés intersticiels (par exemple du carbure de silicium), et des poudres de matières céramiques
(par exemple des carbures métalliques en poudre comme du carbure de tungstène), du graphite, ou du disulfure de molybdène. Les ingrédients ajoutés peuvent être des éléments structurels linéaires (par exemple fibreux). On peut même ajouter des agents de moussage pour obtenir de nouvelles structures volumineuses.
La feuille ou pellicule résultante diffère nettement, par ses propriétés, de pellicules extrudées, coulées ou découpées contenant des adjuvants semblables. Ainsi,
les présentes pellicules contiennent ces adjuvants uniformément dispersés dans l'ensemble du produit obtenu par coalescence des particules polymères, de sorte que la matière acquiert les propriétés conférées par le ou les adjuvants.
Le procédé et l'appareil de la présente invention permettent d'obtenir, à moindre coût, un produit polymère façonné de haute qualité qui peut servir dans des applications trouvées pour des pellicules antérieures. En outre, la présente invention permet de produire des pellicules polymères dans lesquelles sont incorporées des matières modificatrices et à rôle d'adjuvants, par exemple des poudres de métaux, des pigments, de la poudre de bois, etc.,
ce qui serait extrêmement difficile, voire même impossible, de réaliser par les techniques classiques de formation de pellicules, ce qui donne naissance à une foule de nouvelles applications dans le domaine de l'industrie des pellicules de matière plastique.
Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'invention, de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et à l'appareil de production d'objets façonnés en forme de pellicules ou de feuilles, ainsi qu'aux feuilles ou pellicules, décrits et représentés.
The present invention relates to training
sheets and films of one or more polymers directly from a powder of this or these polymers by continuous compression of compaction between cylinders, and
the products thus obtained.
Conventional methods for transforming thermoplastic polymeric materials into shaped articles include extrusion, casting, injection molding
and other hot forming techniques. These techniques commonly involve three basic steps: (1) melting or softening the thermoplastic;
(2) shaping the molten or softened polymer, with or without the application of pressure, in a mold cavity, in
a press or through a die; and (3) cooling the shaped object to its final shape. However, this
procedure becomes difficult to implement when it comes to treating thick sections and it is absolutely not suitable in the case of very viscous polymers,
ultra high molecular weight or those with a dot
very high melting point. Furthermore, the interest accorded to the latter two categories of thermoplastics
increases rapidly due to their remarkable thermal and mechanical properties.
Cold forming, i.e. the shaping of a material below its melting point, is a processing technique which has been well developed in metallurgy but which has only been applied recently in the field polymers. Most of these recent applications to polymers involve stamping and forging, machining, deep drawing and possibly deep drawing, cold treatment by one or more cylinders or cold extrusion. In all these processes, a material is required
starting in the form of a sheet or billet of relatively thick section, which is itself usually prepared by hot extrusion. The combination of a forming
hot followed by cold forming and, in the case of machining, the production of waste which may or may not be reusable, increases the cost price of the overall shaping operation and represents a significant technical and economic drawback . However, there are considerable incentives to apply cold forming techniques to the shaping of thermoplastics. For example, the parts are shaped entirely in the solid state and, since there is no phase change which would otherwise risk causing shrinkage and distortion, this makes it easier to maintain strict dimensional tolerances . Likewise, an improvement in certain technical properties of the material is often obtained.
Generally, for a thermoplastic polymeric material to be formable in the solid phase, it must have ductility and mechanical solidity. Materials of this type which are cold formed include copolymers of acrylonitrile, butadiene and styrene
("ABS" resins), cellulose aceto-butyrate, polycarbonates, polysulfones, polyvinyl chloride
(PVC) and polyolefins (e.g. high density, high molecular weight polyethylene). The most of
<EMI ID = 1.1>
the melting point or the glass transition temperature of the polymer.
Powder processing technology has been fully developed for metals, an area in which it has proven in many cases to be more attractive than hot forging and melt processing, i.e. - say the casting. In the field of polymers, however, only a relatively small number of studies and investigations have been carried out, of a preliminary nature, as seen for example in the following publications: DM Bigg "High-Pressure Molding of
<EMI ID = 2.1>
(Reinhold 1958);
G.W. Halldin and I.L. Kamel "Powder Processing of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene; I. Powder Characterization and Compaction" / Powder processing
ultra high molecular weight polyethylene; 1. Characterization and compression of powder compaction7, Polymer Engineering and Science, 17 (1), 21 (1977);
G.W. Halldin and I.L. Kamel "Powder Processing of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene, II. Sintering" / Processing of ultra high molecular weight polyethylene powder; II. Sintering%, 35th Annual Technical Conference, Society of Plastics Engineers, 298 (1977);
G.S. Jayaraman, J.F. Wallace, P.H. Geil and
E. Baer "Cold Compaction Molding and Sintering of Polystyrene" / Polystyrene molding and sintering with cold compression_7, Polymer Engineering and Science, 16 (8), 529 (1976);
Patent of the United States of America N [deg.] 2,067,025
(Schmidt, 1937), for "Process for transforming polymerized vinyl chloride into thin sheets, and product obtainable thereby";
Patent of the United States of America N [deg.] 2,528,529
(Lyon; 1950) for "Process and apparatus for forming a plastic material";
Patent of the United States of America N [deg.] 2,920,349
(White; 1960) for "Polyethylene film"; and
Patent of the United States of America N [deg.] 2,928,133
(Schairer; 1960) for "Method of producing a sheet material".
Increasing attention is being paid to special polymers, such as ultra high molecular weight polyethylene (PE-PMUE), poly (tetrafluoroethylene) and poly (benzimidazole) due to their remarkable mechanical and / or thermal properties. Unfortunately, these properties also limit the possibility of implementing
such polymers by conventional forming techniques
hot and cold. Furthermore, powder forming techniques seem to offer interesting possibilities for solving the problem of shaping such materials otherwise. As stated above, the conventional treatment
powders is used only to a very limited extent for shaping thermoplastic polymers and it has however not proven capable of being widely used on an industrial scale. There is therefore a need for improved powder processing techniques, which can take full advantage of the properties of polymers in general and the remarkable properties of the aforementioned special materials in particular, to produce at high overall rates of film and film production. thin sheet that does not tear.
Therefore, the present invention aims to propose:
- new processes for producing shaped objects in the form of films, which are obtained directly from powders of thermoplastic polymers;
- thermoplastic objects shaped in the form of films, having better properties and which have been formed directly from powders of thermoplastic polymers; and
- an apparatus for producing shaped objects in the form of films, directly from powders of thermoplastic polymers.
The above-mentioned aims are achieved, according to the present invention, thanks to the discovery of a process according to which powdered thermoplastic polymer material,
which is to be shaped, is introduced directly from a hopper into the gap between two heated cylinders. The material is thus compressed and compacted in
a sheet or film having the desired thickness.
The method of the invention comprises sending a fluid powder of thermoplastic polymer into the zone of maximum tightening or approximation of two compression cylinders with coordinated rotation, so that
the polymeric feed material passes between the cylinders which compress and compact it and cause the particles to coalesce into a shaped object which then leaves, in the form of a sheet or film, from the space situated between the cylinders. During this operation, the circumferential speed of the cylinders is maintained essentially equal to the linear speed of the sheet or film leaving the gap between the cylinders. The sheet or film is removed from this interval located between the cylinders, under a mechanical tension corresponding to a force adjusted so as not to exceed the elastic limit of the sheet or film constituting the resulting product.
In another aspect of the invention, the latter provides an apparatus for producing shaped objects in sheet or film form, directly from powders of thermoplastic polymers, an apparatus which comprises two compression cylinders intended to cooperate to rotate by in a coordinated manner in order to compress and cause the coalescence of the polymer powder in
the zone of maximum approximation of the cylinders. The apparatus comprises a drive device intended to rotate the cylinders in a coordinated manner and a hopper intended to receive the polymer powder and to introduce it at a predetermined flow rate into the zone of maximum approximation.
cylinders. In one embodiment of the invention, the hopper is designed to keep the feed polymer powder physically and thermally isolated
of the surfaces of the cylinders before the powder reaches the zone of maximum approximation of the cylinders. The apparatus also includes a device for removing
the sheet or film of the zone of maximum approximation of the cylinders and to apply to this sheet or film a mechanical tension corresponding to a force not exceeding the elastic limit of said sheet or film.
Polymers suitable for use
used in the present invention are film-forming thermoplastic polymers such as linear polyolefins,
(e.g. polyethylene, polypropylene), polyamides, polyhaloolefins (e.g. chloride
polyvinyl), perfluorinated polymers (e.g. polytetrafluoroethylene), a polymer of acrylonitrile, butadiene and styrene; polycarbonates, polysulfones, and cellulose esters (e.g., acetate, diacetate and cellulose triacetate). The polymer feed powder advantageously has a uniform particle size. The polymer can be made
i of a single polymer or of several polymer compositions which are entirely mixed ("in mutual mixing") or in the form of laminated layers, as described below. The powder must be mobile, that is to say able to flow freely, which dictates the value of the minimum particle size; the upper limit of the particle size is dictated or governed by the thickness of the sheet or film which it is desired to obtain.
In another aspect of the invention, it has been found that under certain conditions of the pass-through treatment between cylinders, thermosetting polymeric materials can be treated to form continuous sheets. Con-
<EMI ID = 3.1>
thermosets do not coalesce and they
solidify again after heating.
It has however been found that it is possible to cold weld, by the pressure of the rolls at moderately high temperatures, powders of thermosetting polymers.
The process of the invention for treating thermosetting plastic resins is carried out at a temperature high enough to contribute to the cold welding of the contact points of the particles. In one example, 75% by weight of a phenolic resin made by Hooker Chemicals under the trademark
<EMI ID = 4.1>
(cembro) having less than 0.177 mm. The mixture is treated between cylinders at a temperature of about 124 [deg.] C. In an au-
<EMI ID = 5.1>
formaldehyde, manufactured by American Cyanamid under the trade name "Bettle" with 25% by weight of cembro pine particles less than 0.177 mm. The mixture is treated between cylinders at a temperature of about 116 [deg.] C.
The process of the invention is implemented for the treatment of thermoplastics at a temperature below their melting point, but which is high enough to ensure coalescence of the particles and obtaining the optimum tensile strength of the film. manufactured. The temperature of the thermoplastic feed material depends on the temperature of the cylinders, which are uniformly heated so as to maintain the desired temperature uniformly throughout the polymeric feed located in the space between the cylinders. The temperature to which the cylinders are heated to obtain a given temperature of the feed polymer depends on the circumferential speed of the drive cylinders. The higher the speed of the cylinders, the higher the speed, and vice versa.
In addition to temperature, certain other factors determine the outcome of the process. Thus, the pressure exerted by the cylinders should be adjusted so that it is high enough to achieve complete densification (that is to say a density which corresponds essentially to the maximum density of the bulk material) of the product. and to give this product the greatest mechanical resistance. The feed rate of the cylinders in polymer powder is adjusted so as to correspond to the pressure exerted by the cylinders and to the desired thickness of film, while obtaining full densification of the product. We operate the cylinders, preferably
at the same circumferential speed, which is adjusted to match the other parameters. Usually,
the maximum cylinder speed is determined by the requirement that the polymer feed powder be uniformly heated to the desired temperature when it enters the zone of maximum cylinder approximation. The lower limit of the speed of the compression cylinders (working cylinders) is mainly determined by the desired production rate.
The invention is well suited for the production of a film or sheet of a polymer material, having desired thicknesses lying in a very wide range, directly from the polymer powder. The method is particularly suitable for producing films or sheets having a predictable uniform thickness of between 63.5 microns and 1.25 mm. The product is withdrawn from the cylinders at a mechanical removal tension which allows the establishment of a "neutral point", that is to say a state in which the linear or circumferential speed of the cylinders is equal to the speed of matter coming out of
the zone of maximum approximation of said working rolls.
For the purposes of this discussion, the "entry arc" is the arc of the circumference portion of the surface of the working rolls intercepted by the corresponding angle
to the zone of approximation of the cylinders and to their action
compaction. The input arc is thus a function of the diameter of the working cylinder. It influences the amount of feed material drawn into the "interval between
the cylinders "or" the entry of the rolls ", which is the region between the working rolls and which immediately precedes the entry arc. The amount of material drawn into the area of the entry arc will determine the thickness of the sheet or film as well as its properties. For a given cylinder diameter, the quantity of material that can be projected or attracted in the area of the entry arc will be constant. By decreasing the entry arc for
given a cylinder diameter, we can simulate the behavior of a cylinder with a smaller diameter. We can
achieve this through appropriate design and drawing
feed hopper which actually controls the thickness of the powdered material between the input arcs of the working rolls. The need to regulate this thickness of the feed is likely to arise, for example, when the feed material is a mixture of powders of different densities (for example in the case of two or more polyolefins) and that the we want to obtain the same density of the product.
As regards the surfaces of the cylinders, the quantity of polymer powder drawn into the zone of maximum approximation of the cylinders is all the greater
that the surface of the cylinders is coarser or rougher. Generally, the surfaces of the working rolls have a degree of surface finish, or finish,
such that the surface irregularities vary from 25.4 to 254 nm and preferably between 101 and 152 nm. The surfaces of the working rolls may have a slight convex curve, although the convexity of the curve of the rolls is not essential for the practice of the invention. For example, when forming an ultra high molecular weight polyethylene sheet 15.2 cm wide and 0.127 mm thick using stainless steel cylinders 15.2 cm in diameter and 30.5 cm in length, a convex curve of 1.27 micron would be fine. The choice of other suitable curves will depend on factors such as the type
of powder treated between the cylinders, the thickness of the film produced, the speed of the cylinders and the pressure they exert, and the temperature. The application of these factors to the choice of a curve or a convexity will appear to experts in this field wishing to take advantage of this presentation.
The objects of the invention indicated above, as well as still others and a better understanding of the utility and the advantage of the invention, will emerge from the study of the following description, given by way of illustration and in no way limiting, of a few preferred embodiments, with reference to the appended drawings in which:
Figures 1 and 2 are partial views, in section, of two different mills with compacting or compression cylinders according to the invention, each mill comprising two working rolls and a feed hopper intended to feed the rolls in a metered material continuously during the manufacture of a thermoplastic polymer film;
Figures 3 and 4 are partial elevation views of roller mills similar to those of Figures 1 and 2 and showing different structures of the feed hopper; and
FIGS. 5A and 5B are photomicrographs of the polymeric sheet material formed according to the invention, and of a sheet material formed in a conventional manner by cutting out a block of polymeric material, respectively.
In the figures, the same structural elements are designated by the same reference indices. Of
letters are added in suffix to indicate, when that
is necessary, particle elements? ..
In the implementation of the invention and in
the examples below, a hopper feeds continuously,
in a powdered thermoplastic polymer material to be shaped,
an interval between two compression or compacting working rolls, heated and rotating in a coordinated manner to cooperate. The cylinders compress the material,
under the effect of heat and pressure, in one sheet
or film with the desired thickness or size. The material may be a polymer such as polyethylene or polypropylene, the particle sizes of which may be
between approximately 0.59 mm and approximately 0.044 mm. Preferably, the material is an ultra high molecular weight polyethylene powder (PE-PMUE).
It can be seen in Figures 1 and 2 that compression cylinders 12 and 14 are mounted on parallel shafts (not shown) so that they can rotate and are driven by a drive device (not shown)
so as to turn in the direction of the arrows pointing
towards an entry interval 16. The cylinders 12 and 14 are parallel and arranged in a common horizontal plane, of
so as to place the entry gap 16 vertically above
above the zone of maximum approximation of the cylinders.
The cylinders 12 and 14 are preferably driven by the
same linear speed of rotation (i.e. the same circumferential speed).
The training device may include
any conventional structure or device in the field of cylinder drive, such as
that a device connected to the shaft of each cylinder so as to allow a relative adjustment of the cylinders 12 and
14 in the area of the gap 16. Preferably, the cylinders 12 and 14 are placed so as to provide an angle
has, from approximately 7 to 8 [deg.], of interception of the zone of maximum approximation of said cylinders.
The cylinders 12 and 14 can exert a predetermined compression or compacting pressure in order to
to produce a sheet or film 13 by direct compression of the powdered material 11. Cylinders 12 and
14 can have any suitable diameter. However, the diameters of cylinders 12 and 14, which are
preferably equal, constitute one of the various parameters directly influencing the thickness of the resulting sheet or film 13. A cylinder diameter of 15.2 cm has been used successfully to achieve direct compression of the polymer powder between the cylinders, and cylinders having a larger diameter have also been successfully used. The linear speed of the periphery of the cylinders 12 and 14, the characteristics of the surfaces of these cylinders and the type of material introduced into the region of the gap 16 constitute additional parameters directly influencing the thickness of the sheet or film 13 .
For example, it can be said that, as a general rule, the thickness of the sheet or film 13 obtained will be greater the greater the diameter of the cylinders 12 and 14, the more characteristics the cylinder surface has. great roughness and that the volume of material feeding the region of the interval 16 is greater. With regard to the speed of rotation of the cylinders 12 and 14, if this speed increases while the other parameters remain constant, the thickness of the sheet or film 13 decreases.
The length of the compression or working rolls 12 and 14 is that which turns out to be necessary, in the manufacture of the sheet or film, to meet and correspond to considerations relating to the width of the product. For example, the cylinders 12 and 14 may have a length sufficient to allow the manufacture of a sheet or film 13 having a width of about 1.5 to 1.3 m. In addition, the cylinders 12 and 14, or at least an outer ring of these cylinders, are advantageously made of a material having good thermal conductivity. A preferred material for this is cast steel when the process is carried out at temperatures. res not exceeding 177 [deg.] C, and high temperature steel when applying higher temperatures.
As indicated, the method of the invention comprises the heating of the particulate material 11 for feeding and the compression of this material between the cylinders 12 and 14. Each of the cylinders 12 and 14 can comprise a particular central part or core or be formed otherwise, so as to house a heating element (not shown) capable of being adjusted to a given temperature
or in a range of temperatures. Any form of conventional heating element and regulating device can be used, such as a heated fluid which circulates within the cylinders in order to maintain the surface of these cylinders at a uniform temperature.
The present invention contemplates several structures of the hopper 10. Each hopper serves as a reservoir
material 11 which is continuously introduced into the region of the gap 16. The hopper 10a can be designed
so as to receive the feed material 11, coming from a device (not shown), at a flow rate substantially equal to that at which the material is sent towards the interval 16, in order to maintain at a desired level in
the hopper the quantity of reserve material. In the form shown in FIG. 1, the hopper 10a has an upper surface 18 to which a material supply structure 11 can be connected, as well as two side walls 20 and 22. These side walls extend towards the cylinders 12 and 14 substantially over their entire length.
Two other side walls, including one end wall
24 and a wall at the opposite end (not shown) complete the hopper 10a, thus delimiting an enclosure having in section a more or less rectangular shape. The last walls mentioned last are curved
so as to substantially match the contour of the cylinders
12 and 14 in order to avoid loss of the material 11. It can be seen in FIGS. 1 and 2 that the side walls 20 and 22 include wall parts 20a and 22a (FIG. 1) and 20b and 22b (FIG. 2) at curved outline, substantially concentric with the surface of the cylinders 12 and 14, so as to extend towards the interval 16. In FIG. 1, the wall portions 20a and 22a descend approximately at
the same height and, with the end wall 24 (and the opposite end wall not shown), they form a metering outlet 26 at the bottom edge of the hopper. The dosing outlet 26 has the form of a rectangular slot. The length of the outlet corresponds substantially to that of the cylinders
12 and 14 in order to ensure a uniform flow, over this entire length, of the feed material 11 towards the interval 16. The width of the outlet 26 may be of the order of approximately 1.5 mm for measuring and measure the flow of material 11. In the form shown in the figure
1, the material 11 leaves the hopper 10a in a stream falling freely along a path which generally follows a line tangent to the cylinders 12 and 14.
Figure 2 shows a somewhat similar hopper structure which includes two wall portions 20b and 22b. One of the wall parts, for example the part 22b, is longer than the other wall part 20b, so as to form an outlet 28 delimited by the lower edges of each wall part between the end wall 24 and the opposite end wall (not shown). In the structure
<EMI ID = 6.1>
dant, due to the arrangement of the elements forming the outlet 28 and the difference in their location in height, a metered flow of material 11 will be poured, projected or directed against the surface of the cylinder 12. The powder material 11 thus projected is will cascade over the surface of cylinder 12, increasing contact time.
By its shape and dimensions, the hopper must play several roles. For example, the hopper should retain the feed material 11 while having an outlet which appropriately doses the material sent to the interval within which the material is heated.
In FIG. 1, the material 11 is heated by convection, that is to say exposure of the thin stream of material falling from this hopper to the heat emanating from the cylinders 12 and
14, however that in FIG. 2, the heat comes from the direct contact between the material 11 and the surface of the cylinder 12 on which it is "projected". In these embodiments, the structure of the hopper prevents loss of material 11 from the sides and is also used to manufacture a sheet or film 13 of thickness less than that which would be obtained under other conditions. For this, the hoppers of Figures 1 and 2 dose or limit the amount of material 11 supplied to the interval 16. The shape of the
<EMI ID = 7.1>
of rotation of the cylinders 12 and 14, since the material 11 can be heated more quickly due to the direct contact between this material 11 and the cylinders 12 and 14.
FIG. 3 shows a form of general hopper structure according to the invention intended to supply the interval 16 between the cylinders with powdered <EMI ID = 8.1>
prevent the powder 11 from touching the cylinders 12 and 14 while dosing an amount of powder intended to produce a thin sheet 13. The amount of powdered material 11 is small enough that there is good heat transmission from the cylinders 12 and 14 to powder. This device also allows a higher production speed in the case of a thin sheet.
Figure 4 shows a hopper structure according to the invention, intended to produce a thicker strip of polymer. In this embodiment, the powder 11 is allowed to come into contact with the cylinders 12 and 14. The area of contact with the surface of the cylinders can extend to the top of these cylinders, if desired. In this case, the center 15 of the hopper 10d does not contain powder. If the center contained powder, it would allow the powder 16, the temperature of which would not be high enough, to penetrate into the interval 16. The rotational movement of the cylinders 12 and 14 would attract in the interval 16 powder which, located on the surface of the cylinders, has been heated by this contact. But powder from the center, which has a lower temperature, would also be attracted in the interval 16.
By eliminating the introduction of powder through the central zone, this unwanted state of affairs is eliminated.
<EMI ID = 9.1>
serve with different powder compositions in each compartment to give a final product which is a laminated or layered sheet after passing between the cylinders. Likewise, a partition
(not shown) can be installed in the hopper of Figure 3 to achieve the stratification of the sheet obtained as a final product after passage between the cylinders.
It has been found, for certain applications, that vibration means (not shown), fixed to the hopper, can facilitate the flow of the powder or of the mixture towards the cylinders. This helps to ensure a more uniform flow of the material.
Figure 5a is a photomicrograph of the polymeric sheet material formed by direct compression of an ultra high molecular weight polyethylene powder between cylinders, according to the invention. The sample is lit from behind and, as can easily be seen, the material has virtually no extremely fine perforations. On the contrary, FIG. 5b shows the presence of numerous extremely fine and untimely perforations in a sheet of the same material and of the same thickness, with illumination from behind in the same way, in the case of a sheet produced by a technique classic block cutting.
The following examples are intended to illustrate and in no way limit the process, the apparatus and the product of the invention.
Example 1
We transform a certain quantity of ultra high molecular weight polyethylene, having a melting point of approximately 200 to 220 [deg.] C (quality material 412 sold by American Hoechst under the trade mark "HostalenGur") in a sheet or film by passing the material, in the form of powder, in the region of the gap between two cylinders of 30 cm in length and 15 cm in diameter, mounted so as to be able to rotate in cooperation around parallel horizontal axes. The cylinders have in their center a curve (or an arrow) of 12.5 microns.
The material is then compressed between the cylinders which are placed so as to present an angle of 7 to 8 [deg.] Corresponding to the zone of maximum approximation and are driven at a speed of approximately 60 cm per minute. The material is introduced into the region of the gap by a hopper such as that shown in Figure 2, heated to a temperature of about 143 to 149 [deg.] C and compressed between the cylinders so as to form a sheet or film about 0.56 mm thick, having a density
<EMI ID = 10.1>
full density possible) when the material is drawn from
the zone of maximum approximation of the cylinders to a mechanical tension intended to preserve the flatness of this material.
Example 2
The procedure of Example 1 gives a thinner sheet or film when the cylinders are polished with a glass cloth comprising grains of
44 microns.
Example 3
The procedure of Example 1 is repeated, except that the peripheral speed of the working rolls is brought to about 0.94 m per minute. A sheet or film having a thickness of about 0.28 to 0.33 mm is produced.
Example 4
The material of Example 1 is passed through the region of the gap between two compacting rollers, 15 cm in diameter, similarly mounted and playing
a role similar to that of the cylinders of Example 1, except that the cylinders are driven at a peripheral speed of about 3.35 m per minute. The material is sent into the region of the interval by the hopper of FIG. 2, the metering outlet of which extends along the interval and has a width of approximately 0.89 to 1.02 mm. Matter
<EMI ID = 11.1>
and it is compressed and pulled under mechanical tension from
the zone of maximum approximation of the cylinders. The resulting sheet or film has a thickness of about 0.13 to 0.15 mm.
Example 5
A certain amount of ultra high molecular weight polyethylene is given the form of a sheet or film by passing the material in the form
powder, in the region of the gap between two 15 cm diameter cylinders, mounted to rotate in cooperation around parallel horizontal axes. The material is then compressed between the cylinders which are placed so as to present an angle of 7 to 8 [deg.] Corresponding to the zone of maximum approximation and driven at a peripheral speed of rotation of approximately 3.35 m per minute. The material is sent to the region of the gap, it is heated to a temperature of about 124 to 130 [deg.] C and it is compressed to form a film or sheet of about 0.53 mm thickness, having a density of approximately 0.66 g / cm <3>, when pulled under mechanical tension from the zone of maximum approximation of the cylinders.
Example 6
The material of Example 1 is given the
form of a sheet or film by passing this material in the region of the interval between two cylinders of 15 cm in diameter, mounted to rotate in cooperation around parallel horizontal axes and having
an angle of approximately 7 to 8 [deg.] corresponding to the zone of maximum approximation. The cylinders have a diameter of 15 cm and are driven at a peripheral speed of approximately
3.35 m per minute. The material is maintained, in the region of the interval, at a temperature of about 140 [deg.] C and directly compacted by the cylinders. The cylinders are preheated to a temperature of about 130 [deg.] C. The resulting sheet has a thickness of about 0.51 mm and a density of about 0.82 g / cm when pulled
<EMI ID = 12.1>
mechanical tension to produce a flat sheet.
Example 7
The feed material of Example 5 is heated to a temperature of about 130 [deg.] C in the space between the rotating cylinders
<EMI ID = 13.1>
cylinders are preheated to a temperature of approximately 149 [deg.] C. The resulting sheet or film has a thickness of about 0.56 mm and a density of about 0.66 g / cm <3> when pulled under mechanical tension to produce a flat sheet.
Example 8
The sample feed material is heated
<EMI ID = 14.1>
The cylinders are preheated to a temperature of around
149 [deg.] C. The resulting film sheet has a thickness of about 0.56 mm and a density of about 0.66 g / cm <3> when drawn from the zone of maximum approximation of the cylinders, a resulting thickness of approximately 0.38 mm and a density of approximately 0.94 g / cm when it is heated to a temperature about 140 [deg.] C.
Example 9
<EMI ID = 15.1> maximum approximation of cylinders 12 and 14 is set
at a value between 0.89 mm and 1.01 mm. The cylinders are driven at a circumferential linear speed of 3.35 m per minute and their surfaces are maintained
at a temperature of about 139 to i45 [deg.] C. The sheet material thus produced has a thickness of 88.9 to 101.6 mi-crons and a density of 0.94 g / cm. A uniform mechanical tension sufficient to give a flat material is applied to the film leaving the cylinders.
Example 10
The method described in Examples 1 to 9 can be implemented by subjecting compression between cylinders, at the same time as the polymer feed powder, a reinforcing or reinforcing wire mesh.
The film sheets obtained can constitute a raw material suitable for use in other treatment or implementation operations.
The particles of the feed material of the process of Examples 1 to 9 can be of uniform size, but, preferably, the material will consist of particles whose size is distributed in a manner
to correspond to a range going from relatively coarse particles to relatively fine particles. For this purpose, it has been found that the method can be more effectively implemented by application to a material of which the particles are not all of uniform size. Here is a possible typical particle size distribution:
<EMI ID = 16.1>
The feed polymer material may contain additional ingredients to modify the appearance and / or properties of the product. Thus, coloring agents and opacifiers can be incorporated in various amounts into the polymer feed.
carbon black, wood powder (e.g. cherry bark, maple leaf bark
ash, cembro or maple), preferably in particles of less than 0.177 mm, various types of metal powders (e.g. copper, aluminum), metal oxides (e.g. aluminum oxide), compounds of the intermetallic type (for example aluminum silicide), interstitial compounds (for example silicon carbide), and powders of ceramic materials
(for example powdered metal carbides such as tungsten carbide), graphite, or molybdenum disulfide. The added ingredients can be linear structural elements (e.g. fibrous). You can even add foaming agents to get new bulky structures.
The resulting sheet or film clearly differs in its properties from extruded, cast or cut films containing similar adjuvants. So,
the present films contain these adjuvants uniformly dispersed throughout the product obtained by coalescence of the polymer particles, so that the material acquires the properties conferred by the adjuvant (s).
The method and apparatus of the present invention provide a high quality shaped polymer product at low cost which can be used in applications found for prior films. In addition, the present invention makes it possible to produce polymeric films in which are incorporated modifying materials and having the role of adjuvants, for example metal powders, pigments, wood powder, etc.
which would be extremely difficult, if not impossible, to achieve by conventional film-forming techniques, which gives rise to a host of new applications in the field of the plastic film industry.
It goes without saying that, without departing from the scope of the invention, numerous modifications can be made to the process and to the apparatus for producing shaped objects in the form of films or sheets, as well as to sheets or films, described and represented.