Procédé de fabrication de films d'un polymère transparent,
et appareillage pour sa mise en oeuvre
La présente invention est relative à un procédé de fabrication de films d'un polymère transparent, et à un appareillage pour sa mise en oeuvre.
Dans le procédé classique de formation d'un film à partir de matériaux polymères comme, par exemple, à partir de polymères d'éthylène ou de propylène, le polymère fondu est extrudé sous la forme d'un courant continu de forme prédéterminée et est alors rapidement refroidi pour fournir un film ou feuille désirée.
Dans un procédé préféré, le courant conformé de polymère fondu est reçu sur la surface d'un tambour rotatif de refroidissement où il est rapidement refroidi pour minimiser la croissance des cristaux et pour fournir le film résultant avec les propriétés optiques désirées telles que, par exemple, un haut degré de brillance et de transparence. Lorsqu'on emploie un tel procédé préféré avec des polymères contenant des matériaux additifs, c'est-à-dire des matériaux qui sont destinés à fournir au film résultant certaines propriétés désirées physiques ou chimiques qui ne sont pas fournies par les polymères seuls, on a trouvé que pendant l'étape de refroidissement, au moins une partie des matériaux additifs se sépare de - et se réunit sur la surface du tambour de refroidissement.
Outre le gaspillage de matériaux coûteux, la séparation des matériaux additifs du polymère en cours de fusion peut tre tellement prononcée que le film résultant ne présente pas les propriétés que le matériau additif a pour but de présenter. I1 est également important de préciser que l'agglomération des matériaux additifs sur la surface du tambour de refroidissement empche le courant extrudé de polymère d'établir un contact précis avec celle-ci, si bien que le courant est refroidi à un taux comparativement lent, ce qui donne un film ayant des caractéristiques translucides ou embrumées ou de nuage . Un inconvénient supplémentaire est que les matériaux additifs accumulés tendent à former des paillettes à partir de la surface du tambour de refroidissement sous forme d'aires de formes diverses,
si bien que les parties restantes de ceux-ci présentent une surface irrégulière qui est réfléchie dans la surface du film produit.
L'enlèvement des matériaux additifs qui se sont accumulés par des organes de nettoyage ou de grattage peut tre la cause de dommages apportés à la surface extrmement polie du tambour de refroidissement et cet enlèvement pose en plus le problème de l'enlèvement de façon uniforme des matériaux additifs de l'organe de grattage lui-mme. Et ce qui est plus important, l'enlèvement de tels matériaux additifs accumulés n'empche en aucune manière une nouvelle séparation des matériaux additifs à partir du polymère fondu et, en conséquence, il est au plus seulement une solution partielle du problème. En conséquence, la présente invention vise à obtenir un procédé et un appareillage plus satisfaisants pour la coulée de polymères contenant des matériaux additifs.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, une mise en oeuvre du procédé et une forme d'exécution de l'appareillage que comprend l'invention:
La fig. 1 est une vue en perspective de ladite forme d'exécution de l'appareillage;
la fig. 2 en est une vue de côté; et
la fig. 3 est une vue frontale d'un rouleau de pression que comprend ledit appareillage des fig. 1 et 2.
Dans une mise en oeuvre du procédé, un courant conformé de polymères fondus contenant des matériaux additifs est extrudé sur la surface d'un organe mobile de refroidissement sur lequel il est rapidement refroidi, sous la forme d'un film ou d'une feuille.
Avant d'tre enlevé ou soulevé de l'organe de refroidissement, le film est poussé en contact intime avec la surface de l'organe de refroidissement sous une tension positive allant de 0,36 à 7,2 kg/cm et préférablement de 0,9 à 3,6 kg/cm, suivant des facteurs tels que la quantité de matériaux additifs contenue dans le polymère et la tendance d'un matériau additif particulier à s'accumuler sur l'organe de refroidissement. Comme résultat de l'application d'une telle tension, les matériaux additifs qui, normalement, tendent à s'accumuler sur la surface de l'organe de refroidissement, sont retenus dans - ou uniformément sur le film résultant lorsque celui-ci est ultérieurement enlevé de la surface de l'organe de refroidissement.
Bien que divers types d'organes de refroidissement mobiles puissent tre employés dans une mise en oeuvre du procédé que comprend l'invention, un tambour rotatif refroidi intérieurement et ayant une surface périphérique extrmement polie est préféré tant au point de vue simplicité qu'au point de vue efficacité.
Bien que ce ne soit pas essentiel, il est préféré que l'appareil de coulée employé comprenne aussi des moyens pour frapper avec un courant contrôlé ou un jet d'air ou autre gaz inerte la surface exposée d'un courant fraîchement extrudé de polymère fondu, de façon à pousser la surface opposée de celui-ci et à l'amener en contact étroit avec la surface polie du tambour de refroidissement rotatif. De cette manière, on empche ou du moins on minimise toute tendance de l'air et d'autres gaz à voyager avec la surface du tambour de refroidissement et le courant de polymère extrudé.
L'application de tension sur le film fondu avant l'enlèvement de celui-ci de l'organe de refroidissement peut tre obtenue de diverses manières, comme, par exemple, au moyen d'un brusque jet d'air. Un rouleau ayant un revtement élastique comme, par exemple, un revtement en caoutchouc au silicium, remplit de façon satisfaisante la fonction désirée et est préféré, de nouveau au point de vue simplicité, économie et efficacité. Un tel rouleau est monté de façon ajustable pour permettre à la tension qui est exercée sur le film fondu de varier dans les limites indiquées ci-dessus.
Le couvercle élastique du rouleau de tension peut tre constitué avec des rainures circulaires qui sont inclinées sur l'axe du rouleau et, de façon plus désirable, avec des rainures hélicoïdales, ce qui facilite l'échappement de l'air ou d'autres gaz provenant d'entre le film et la surface de refroidissement au fur et à mesure que le film voyage dans l'intervalle formé par le rouleau de tension et le rouleau de refroidisseent.
Comme mentionné précédemment, la terminologie matériaux additifs se réfère à des matériaux qui sont incorporés dans le polymère fondu pour donner au film résultant, ou au moins à une surface de celui-ci, certaines caractéristiques physiques ou certaines propriétés chimiques désirées qui ne sont pas fournies par le polymère seul.
Bien que la présente invention ne soit pas limitée à l'emploi d'un matériau additif spécifique, des matériaux additifs typiques qui peuvent tre employés sont, par exemple, les amides d'acides gras naturels contenant entre 6 et 24 atomes de carbone comme le produit connu aux Etats-Unis d'Amérique sous le nom d' Armides et mis sur le marché par
Armour and Co, Chicago, Illinois, et des condensats gras non ioniques tels que 1' Alromine RU-100 (Geigy Chemical Co, Cranston, Rhode Island) pour améliorer les caractéristiques de glissement, des antioxydants ou autres stabilisateurs analogues tels que le dithioproprionate de dilauryle, des agents antistatiques et des pigments.
Ce polymère fondu extrudé à partir d'une matrice 1 1 sous la forme d'un courant continu conformé 13 est reçu sur une surface périphérique extrmement polie d'un tambour entraîné ou rouleau 15, où il se refroidit pour fournir un film ou feuille 17. La matrice 1 I est normalement placée au voisinage de la surface du tambour de refroidissement et comprend une conduite 19 à travers laquelle le polymère fondu est fourni à une paire de lèvres de matrice ou lames qui coopèrent pour fournir un orifice d'extrusion de dimension désirée. Comme dans le cas de construction de matrice d'extrusion classique, au moins une des lames de matrice est réglable pour permettre une variation dans l'épaisseur du courant extrudé 13.
La surface de refroidissement du tambour 15 est maintenue à une température bien au-dessous du point de fusion du polymère extrudé et, dans le cas du polypropylène, elle est préférablement maintenue à une température de 24"C à 38 C en la faisant circuler à travers un fluide de refroidissement tel que de l'eau. Le liquide de refroidissement peut tre fourni et déchargé du tambour de refroidissement 15 à travers les conduits 21 et 23, respectivement. Ces derniers peuvent aussi servir de palier pour le tambour 15. Pour obtenir le maximum d'efficacité, le liquide de refroidissement est dirigé le long de la surface interne de la paroi annulaire du tambour, par exemple au moyen d'écrans en spirale 25.
Lorsque le courant extrudé de polymère fondu 13 approche et est reçu sur le tambour de refroidissement 15, sa surface exposée est frappée par un courant ou par un jet d'air ou d'autre gaz inerte qui pousse le courant de polymère et l'amène en contact étroit avec la périphérie du tambour de refroidissement, déplaçant ainsi de l'air ou autres produits gazeux qui peuvent tre emprisonnés. Le jeu est fourni par un ajustage 27 qui est sensiblement égal en largeur au tambour de refroidissement monté pour permettre un réglage par rapport à la surface de celui-ci. L'ajutage 27 est de construction classique et comprend une ou plusieurs canalisations de fourniture de gaz 29 et une paire de lames, dont une au moins est ajustable pour permettre des variations dans la dimension de l'orifice de décharge de l'ajutage.
Avec le film résultant 17 porté de façon continue par le tambour 15, un rouleau de tension 31 est engagé avec la surface exposée de celui-ci une fois qu'il a été solidifié à un point tel qu'il ne peut plus tre marqué ou embouti. Comme précédemment mentionné, le rouleau 31 pousse le film 17 en contact intime avec la surface du tambour de refroidissement sous une tension de 0,36 à 7,2 kg/cm, plus particulièrement, de 0,9 à 3,6 kg/cm.
Dans ces conditions de tension, les matériaux additifs qui se sont séparés ou qui tendent à s'accumuler sur la surface du tambour de refroidissement pendant le refroidissement du courant de polymère sont ramenés ou empchés de se séparer, si bien qu'aucune perte substantielle de celui-ci n'est occasionnée lorsque le film est enlevé finalement du tambour
Pour atteindre le but décrit, le rouleau 31 est supporté de façon réglable, comme par exemple par des bras pivotés 33 qui, à leur tour, sont commandés par un moyen hydraulique 35.
Tel qu'illustré, le rouleau de tension 31 comprend une âme rigide et un recouvrement extérieur 29 ou un matériau élastique comme, par exemple, du caoutchouc au silicium, qui est susceptible de céder sous la charge appliquée pour éviter des dommages au film 17.
Des rainures 41 et 43 de direction opposée sont formées sur la couverture de rouleau 39; commençant sensiblement au centre du rouleau 31 et s'étendant vers les extrémités entaillées 44 qui comprennent des sections élargies formées le long des bords du film. De telles rainures permettent à l'air et au gaz qui peuvent tre emprisonnés entre la surface du tambour de refroidissement et le film 17 de voyager avec le film pendant que celui-ci se déplace dans l'intervalle formé par le tambour 15 et le rouleau de tension 31 au lieu de s'accumuler et d'avoir tendance à étirer le film ou à le soumettre à distorsion dans cette aire. La profondeur et la largeur des rainures doivent tre telles qu'elles permettent l'échappement des gaz emprisonnés et, cependant, assurent que le rouleau ait une aire de surface suffisante pour obtenir la tension désirée du film contre le rouleau de refroidissement.
Généralement, les rainures ne doivent pas occuper plus des deux tiers, et préférablement pas plus d'une moitié de la surface du rouleau de tension. Bien que les dimensions des rainures puissent varier suivant les différentes conditions de fonctionnement, des rainures ayant une profondeur de 1,5 à 6 millimètres ou plus et une largeur de 6 à 25 mm ou plus ont été trouvées généralement satisfaisantes lorsqu'elles sont espacées de 12 à 36 millimètres le long de la surface du rouleau.
Outre qu'ils évitent la distorsion du film, les canaux hélicoïdaux continus fournis par les rainures 41 et 43 ont pour conséquence que de tels gaz emprisonnés voyagent latéralement par rapport au rouleau et s'échappent dans l'atmosphère ambiante le long des bords du film. Bien que des rainures hélicoïdales comme décrites ci-dessus soient préférées, des rainures circulaires se développant dans des plans inclinés par rapport à l'axe du rouleau 31 peuvent tre employées de façon satisfaisante et avec des résultats quelque peu similaires.
Pour assurer qu'aucune aire du tambour de refroidissement ne voyage pendant plus d'une révolution sans tre pressée en contact intime avec le film 17 par le rouleau de tension 31, des rainures s'étendant longitudinalement par rapport au rouleau 31 ou des rainures circulaires disposées dans des plans perpendiculaires à l'axe du rouleau doivent tre évitées.
La tendance de l'air et des gaz à tre emprisonnés entre le film et la surface du tambour de refroidissement sera évidemment moins prononcée quand le courant fraîchement extrudé de polymère fondu est amené à l'origine en contact étroit avec la surface du tambour de refroidissement comme, par exemple, par un jet de gaz tel que décrit ci-dessus. On a découvert cependant que, quelles que soient les mesures prises pour éviter l'emprisonnement de gaz entre le film et la surface du tambour de refroidissement, aucun de ces procédés ne s'est montré complètement satisfaisant pour empcher le refroidissement rapide du courant de polymère extrudé, son accumulation graduelle à l'intervalle formé par le tambour de refroidissement 15 et le rouleau de tension à surface unie présente des inconvénients.
En conséquence, afin d'obtenir des résultats plus satisfaisants, on préfère qu'un rouleau de tension rainuré, comme décrit ci-dessus, soit employé, quelle que soit la technique particulière utilisée pour obtenir un refroidissement rapide du courant de polymère.
Après avoir voyagé au-delà du rouleau de tension 31, le film est enlevé du tambour de refroidissement 15, passé sur un rouleau de ramassage classique et amené alors à avancer par les rouleaux 47 et 49 jusqu'à d'autres étapes de traitement ou pour tre appliqué à un moyen collecteur non représenté.
La matrice 1 1 est placée de façon à disposer ses lames aussi près que possible de la périphérie du tambour de refroidissement, si bien que le courant de polymère extrudé voyage seulement pendant une courte distance à travers l'atmosphère ambiante. Le tambour 15 étant mis en rotation dans la direction indiquée par la flèche 51 et un fluide de refroidissement étant mis en circulation le long de la surface intérieure de celui-ci, le polymère fondu contenant les matériaux additifs est extrudé vers le bas à partir de la matrice 11, et de là, sur la surface du tambour 15 sous la forme d'un courant continu 13. Le plan du courant fondu 13 est presque tangent à la périphérie du tambour 15 pour éviter des changements brusques dans la direction du mouvement lorsque le courant entre en contact avec la surface du tambour de refroidissement.
I1 apparaît que sous la tension appliquée au film, les matériaux additifs qui peuvent tre réunis sur le tambour de refroidissement ont une plus grande affinité pour le film que pour la surface du tambour de refroidissement ou sont peut tre plus fermement ancrés dans le film lui-mme, si bien qu'ils demeurent dans le film mme après que la pression a été enlevée.
En employant l'appareillage illustré dans les dessins ci-joints, du polypropylène fondu contenant 0,1 % de Armide-O en poids a été chauffé à une température de 240 à 250"C et a été extrudé à travers un orifice allongé de 0,254 mm de largeur et fourni sur un tambour de refroidissement extrmement poli placé à environ 25 mm au-dessous de l'orifice de la matrice.
Le tambour de refroidissement a été maintenu à une température d'environ 27"C en faisant circuler de l'eau à travers celui-ci et a été mis en rotation à une vitesse d'environ 60 mètres par minute. Le courant extrudé de polypropylène fondu a été pressé étroitement contre les surfaces du tambour de refroidissement par un jet d'air provenant d'un ajutage s'étendant à travers toute la largeur du courant extrudé, I'ajutage ayant un orifice de 1,143 millimètre de largeur, et il était placé à environ 12 mm de la surface du tambour de refroidissement. L'air provenait de l'ajutage sous une pression équivalente à deux mm d'eau et se trouvait ainsi à une température de 38"C.
Approximativement 10 centimètres après que la surface exposée du courant de polymère s'est complètement solidifiée, le film résultant a été sollicité pour entrer en contact plus intime avec la surface du tambour de refroidissement au moyen d'un rouleau qui a exercé une tension sur le film d'environ 4,5 kg par 25 mm. Ce rouleau de tension avait un revtement en caoutchouc au silicium défini par la désignation américaine 40 Shore A Dorometer et était formé de rainures hélicoïdales, comme décrit précédemment, espacées à des intervalles de 12 mm et ayant une profondeur et une largeur de 1,5 mm et 9 mm respectivement.
Le film produit dans les conditions de fonctionnement ci-dessus possédait de bonnes propriétés optiques; il avait une valeur de nuage d'environ 1,8 % et des niveaux de glissage supérieurs à ceux présentés par le polypropylène ne contenant pas d' Armide-O . Par suite de la tension appliquée au film, la séparation et l'accumulation d' Armide-O a été évitée. Aucune quantité significatrice de ce produit n'a pu tre détectée soit sur la surface du tambour de refroidissement, soit sur la surface du film qui était en contact avec celui-ci.
Dans un but de comparaison, un second film de polypropylène a été produit en employant le mme matériau de formation de film, le mme procédé de fusion et les mmes conditions de fonctionnement que décrits ci-dessus, sauf que le film solidifié n'a pas été soumis à une tension quelconque avant d'tre enlevé du tambour de refroidissement. Les propriétés optiques de ce film étaient similaires à celles décrites ci-dessus, excepté dans les régions qui contenaient des agglomérations ou des accumulations d' Armide-O . En raison de ces régions d' Armide-O sur la surface du film, des caractéristiques de glissement non uniformes étaient présentées par ce dernier film.
Des accumulations d' Armide-O ont été aussi trouvées sur le tambour de refroidissement et présentaient une surface non uniforme qui, apparemment, était due au détachement en paillettes d' Armide-O pendant le processus. Après un quart d'heure de fonctionnement continu, I'accumulation d' Armide-O sur le rouleau de refroidissement était excessive, ce qui a nécessité un arrt de l'appareil pour le nettoyage.