Procédé de fabrication de feuilles d'un polymère thermoplastique
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de feuilles d'un polymère thermoplastique par extrusion du polymère à l'état fondu et sous pression à travers un orifice d'extrusion.
L'extrusion de matières thermoplastiques par des orifices d'extrusion s'accompagne souvent d'un dépôt de produit sur l'extérieur de l'orifice d'extrusion. Ces accumulations de produit peuvent avoir un effet nuisible sur la qualité du produit extrudé, spécialement si elles se produisent aux alentours de l'orifice. Dans le cas de pellicules et de feuilles, le dépôt de produit le long et auprès de l'orifice peut entraîner la formation de rides de coulage à la surface de la feuille ou de la pellicule coulée. Cette ride de coulage vient d'un contact de mouillage nettement irrégulier au coin de l'orifice d'extrusion, endroit où la feuille extrudée perd le contact avec le métal de cet orifice. Le dépôt de corps étrangers à proximité de la sortie de la filière ménage des emplacements favorisant cette irrégularité dans le mouillage.
Ces corps étrangers peuvent épouser plusieurs formes et peuvent provenir de plusieurs phénomènes différents. Dans le cas de la préparation de feuilles plates, ce dépôt aux deux extrémités de l'ouverture de corps étrangers peut affecter les bords de la feuille extrudée en leur donnant un aspect frippé et irrégulier.
Quoiqu'on connaisse de nombreuses raisons pour lesquelles les corps étrangers provoquent la formation de rides de coulage, de bords frippés et mal définis, et d'autres défauts dans la feuille extrudée, le plus difficile est de parvenir à contrôler les lentes accumulations juste sur les bords de l'ouverture. L'expérience montre que l'écoulement de la matière thermoplastique, au lieu de s'effectuer directement des bords vifs de l'ouverture de la filière, peut provoquer le mouillage d'une petite surface tout au bord de l'ouverture à cause de fluctuations dans l'écoulement, de changements de température, de forces d'expansion de la matière en fusion, et d'autres raisons.
La matière plastique qui mouille ces plages extérieures se dégrade et se décompose et, natu rellement, s'accumule progressivement pour former l'emplacement des corps étrangers qui entraînent la formation indésirable de rides de coulage.
On a proposé des solutions nombreuses et variées pour prévenir le dépôt indésirable de ces corps étrangers, source de rides de coulage. La solution la plus largement utilisée a été de prévoir à l'extrémité de la filière un bord vif comme un rasoir pour empêcher la remontée par capillarité de la matière extrudée sur la face extérieure. On a également essayé de maintenir une certaine pression dans le voisinage de la sortie de la filière pour prévenir la solidification et l'accumulation de toute matière extrudée, même en faible quantité, qui pourrait tendre à mouiller les surfaces extérieures de l'ouverture de la filière.
On en trouve un exemple dans la coulée des films où des compositions visqueuses contenant un solvant forment le produit extrudé et où cette composition, qui tend à remonter et humidifier la surface extérieure, se solidifie et forme ce qu'on appelle des grumeaux à cause de l'évaporation du solvant. Pour empêcher cette formation de grumeaux, on maintient une atmosphère de vapeur de solvant autour de l'ori- fice de sortie de la trémie.
On a trouvé qu'un certain nombre de matières thermoplastiques comprenant des polyamides, des polycarbonates et des polyesters, et plus particulièrement, du polytéréphtalate d'éthylèneglycol, donnent des composés gazeux à faible poids moléculaires suivant une réaction quasiment instantanée au moment où le produit qui est extrudé sous pression est à la pression atmosphérique à la sortie de la filière. Dans le cas du polytéréphtalate d'éthylèneglycol, ces composés gazeux comprennent des sous-produits formés par dégradation thermique et dérivés de plusieurs formes d'aldéhydes, de l'acide téréphtalique, le téréphtalate d'éthylène monomère et dimère, etc. Quoiqu'on n'en comprenne pas complètement la raison, quelques-uns de ces produits apparemment se recondensent pour se solidifier sur la surface métallique juste à l'extérieur de la sortie de la filière.
On suppose que ce dépôt de corps étrangers a un rapport avec la concentration élevée de ces composés parasites dans la zone jouxtant directement la matière plastique d'extrusion. I1 est difficile de vérifier ce phénomène de la condensation et de la solidification d'un composé parasite gazeux. On a cependant été très étonné de trouver que si l'on remplace l'air pollué dans le voisinage immédiat de l'ouverture de la filière d'extrusion par de l'air propre, le dépôt progressif de corps étrangers autour de l'orifice est énormément diminué, et dans de nombreux cas entièrement supprimé.
C'est pourquoi le but de la présente invention est d'éliminer ou de réduire, au cours de l'extrusion d'un polymère thermoplastique, l'accumulation des corps étrangers autour de l'orifice d'extrusion, inconvénient qui peut entraîner des rides de coulage ou des effets similaires dans la feuille extrudée, en éliminant tout composé gazeux de faible poids moléculaire qui peut se dégager du produit d'extrusion au moment de son passage à la pression atmosphérique avant qu'il ne puisse se sublimer sur l'orifice d'extrusion.
Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on envoie un jet de gaz propre contre toute la largeur d'au moins une face de la feuille extrudée au moment où celle-ci quitte l'orifice d'extrusion.
On peut n'envoyer un jet de gaz que sur l'une des faces de la feuille extrudée et mettre simultanément sous pression réduite l'autre face de ladite feuille de façon à ce que l'air suive les bords de la feuille et enveloppe les extrémités de l'ouverture de la filière d'extrusion pour entraîner tout polymère gazeux à distance des surfaces métalliques proches des extrémités de l'orifice avant qu'il ne puisse s'y déposer.
Le gaz utilisé est avantageusement de l'air, mais on peut préférer le dioxyde de carbone ou l'azote pour ces polymères qui sont plus sujets à l'oxydation.
On décrira ci-après en détail un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention en se référant au dessin annexé, où la figure unique est une vue en perspective, partiellement en coupe, d'un détail d'un appareil d'extrusion.
Suivant le mode de réalisation représenté à la figure unique, on extrude sous pression une matière thermoplastique très polymérisée à partir d'une filière ou trémie 10 présentant une ouverture d'écoulement 11 étroite pour former une feuille mince 12. La feuille extrudée 12 est alors déposée sur la surface polie d'un tambour de coulée 13 refroidi qui tourne dans le sens des aiguilles d'une montre comme l'indique la flèche 14. Au bout d'une révolution du tambour de coulée, la feuille est pratiquement durcie ou refroidie et peut être décollée pour un traitement ultérieur suivant un procédé connu. On désigne généralement la lèvre ou coin 15 de l'ouverture 1 1 de la filière qui est la partie la plus proche du rouleau de coulée comme étant la lèvre arrière de l'ouverture tandis que l'autre lèvre ou coin 16 est la lèvre avant.
On a découvert que la formation d'un corps étranger se produit deux ou trois fois plus rapidement sur la lèvre avant 16 de l'ouverture 1 1 de la filière que sur la lèvre arrière 15. On a également découvert qu'avec la formation de produits parasites identiques sur les deux lèvres de l'ouverture de la filière, l'influence sur la qualité de la feuille due à la formation des composés parasites sur la lèvre avant 16 de l'ouverture est considérablement plus prononcée que celle due à la formation des composés parasites sur la lèvre arrière 15.
On pense que ceci provient de la conformation de la filière d'extrusion par rapport au dispositif du tambour et aux phénomènes d'expansion de la matière en fusion qui se produit à l'ouverture de la filière d'extrusion.
Comme le montre le dessin, les filières ou les trémies d'extrusion utilisées pour la coulée de films ou de feuilles peuvent avoir leur ouverture 1 1 d'écoulement disposée de façon à débiter le produit d'extrusion pratiquement à 450 par rapport à la tangente au sommet du rouleau de coulée 13. Juste à la sortie de l'ouverture, le polymère gonfle momentanément pendant le phénomène d'expansion de la matière en fusion, comme on Fa représenté d'une manière exagérée sur le dessin, et il reprend ensuite l'épaisseur plus fine recherchée grâce à la vitesse du rouleau. La feuille extrudée passe beaucoup plus près de la lèvre avant 16 de l'ouverture que de la lèvre arrière 15.
Cette étroite proximité due à la conformation ainsi qu'à l'expansion de la matière en fusion a pour conséquence de permettre au produit parasite de se former plus rapidement sur la lèvre avant 16 de l'ouverture. De plus, une fois que ce dépôt se produit, la formation de rides de coulée devient beaucoup plus importante et plus prononcée au-dessus des défauts existant déjà sur la face inférieure de la feuille extrudée.
On dirige avec précision une faible quantité de gaz propre chauffé (de l'air) sur le polymère extrudé, au moment où il est soumis à la pression atmosphérique, pour entraîner à distance l'air de la proximité immédiate de l'ouverture de la filière d'extrusion pollué par les composés gazeux de faible poids moléculaire qui se dégagent du polymère d'une façon quasiment instantanée au moment où le polymère arrive à la pression atmosphérique. On a constaté qu'un renouvellement continu de cet air pollué réduit considérablement et, dans de nombreux cas, supprime complètement la formation progressive des corps étrangers près de l'orifice de la filière d'extrusion.
Pour ce but, avec un appareil de coulée de feuilles, tel que représenté au dessin annexé, on fournit de l'air propre filtré à l'extrémité d'une chambre 20 de distribution d'air, tel que le montrent les flèches 36, fixées à la filière par un dispositif réglable permettant de la rapprocher ou de l'éloigner de la filière pour des raisons qui seront expliquées plus loin. Cette chambre 20 se termine par un canal 22 plus étroit permettant la projection d'une lame d'air vers le bas, canal qui occupe pratiquement toute la largeur de la feuille extrudée et dont la position, comme on peut le voir, est quasiment horizontale par rapport à la plaque de fond 23 de la filière et la surface supérieure de la feuille 12 extrudée déposée sur le rouleau.
Alors qu'on peut prévoir différents types d'ajutages à l'extrémité du canal 22 afin d'obtenir une distribution de l'air uniforme et propre sur toute la longueur de l'ouverture d'écoulement 1 1 de la filière, on a trouvé que des orifices 25 de 1,58 mm dont les centres sont séparés de 2,38 mm donnent un résultat satisfaisant. Pour entraîner convenablement l'air pollué à distance de l'ouverture d'écoulement de la trémie, il faut que l'air sorte du canal suivant un débit aussi élevé qu'il est nécessaire. Le débit maximal de l'air dépendra de la distance qui sépare le canal de la feuille extrudée et de l'épaisseur et des caractéristiques de ladite feuille. Par exemple, il faudra que l'air projeté sur la feuille ne le soit pas d'une façon et avec une puissance telle qu'il déforme la surface de la feuille.
On comprendra également que des feuilles plus épaisses de produit extrudé peuvent supporter des débits d'air supérieurs à ceux que pourraient supporter des feuilles minces sans se briser ou sans se déformer inopportunément sous le jet d'air. Il est également compréhensible que les propriétés physiques d'un polymère donné à extruder indiqueront jusqu'à un certain point le débit d'air qu'il pourrait supporter. La distance qui sépare le canal de l'orifice d'écoulement de la filière jouera un rôle dans le choix de ce débit d'air.
En conséquence, pour avoir la possibilité d'extruder différents polymères d'épaisseurs variées, on devra pouvoir déplacer le canal par rapport à la filière, ou quelqu'autre support afin de pouvoir régler l'orifice ou les orifices de projection d'air à une distance allant de 6 mm à 127 mu de l'ouverture d'écoulement de la filière. On règle le volume d'air fourni à la chambre 20 de façon à ce que les vitesses linéaires de l'air projeté soient en rapport avec l'épaisseur et le type particulier du produit extrudé que l'on manipule. On prévoit également un dispositif, non représenté, pour chauffer l'air projeté par le canal afin d'obtenir la température voulue dans un certain intervalle. On n'a pas représenté ce dispositif parce que l'homme de l'art le connaît parfaitement.
On a trouvé qu'il était indispensable de chauffer l'air, parce que l'utilisation d'air froid favorise ou peut accentuer la formation de matière thermoplastique solidifiée et des corps étrangers sur la lèvre avant 16 de l'ouverture d'écoulement 11. I1 faut éviter d'utiliser de l'air trop chaud, par exemple à une température supérieure au point de fusion du polymère à extruder, car tout produit extrudé ou tout produit parasite gazeux formé instantanément risquerait de se carboniser et de s'accumuler sur les lèvres de la fente d'écoulement de la filière. Une gamme de température de l'air avantageuse pour l'extrusion du polytéréphtalate d'éthylèneglycol se situe entre 2040 C et 3430 C.
On a utilisé l'appareil décrit comprenant une chambre de 381 mm de largeur dont le canal 22 est distant de 13 mm de l'ouverture d'écoulement 11 de la filière et on a alimenté avec un débit d'air à 2040 C d'environ 340dm3/mn pour produire des feuilles d'une épaisseur de 10211 et de 63 a de polytéréphtalate d'étylèneglycol à 1170 C. Dans ces conditions particulières de fonctionnement, une filière d'extrusion sans arrivée d'air chaud favorise le développement de rides de coulée indésirables en cinq occasions consécutives pendant deux à six jours. Au cours des cinq périodes de fonctionnement suivantes qui respectaient les mêmes principes avec toutefois en plus l'utilisation d'un jet d'air chaud, les rides de coulage ne sont pas du tout apparues. Quelques-unes de ces périodes de fonctionnement se sont déroulées sur vingt jours.
On peut mieux illustrer l'économie et la praticabilité du contrôle des rides de coulage à l'aide de ce jet d'air en considérant le coût élevé ou les pertes provenant d'une période de fonctionnement réduite. Quoique nuissant à la qualité du produit, on peut tolérer quelques rides de coulée dans les produits finis en feuilles. Cependant, quand la fréquence et l'importance de ces rides augmentent, un nettoyage complet de la zone de la filière d'extrusion est indispensable.
En consultant les livres de fabrication portant sur un contingent de produc tion de feuilles d'une épaisseur de 102En. avec utilisa- tion de polytéréphtalate d'éthylèneglycol comme polymère, on a constaté que les rides de coulée étaient la cause d'environ 25/1000 de déchets de la production totale couvrant la période de deux mois qui a précédé l'utilisation d'un jet d'air chaud suivant la présente invention. Cette proportion de déchets due aux rides de coulée est passée à moins de 5/1000 pour une période identique après l'installation d'un dispositif de projection d'air chaud.
On comprendra que plus la feuille extrudée est large, plus la chambre 20 de distribution d'air et plus le canal 22 doivent être importants pour entraîner l'air pollué à distance du voisinage de l'ouverture de la filière. C'est pourquoi le volume d'air, fourni à la chambre pour conférer à l'air projeté par le canal la vitesse linéaire requise, variera suivant la largeur de la chambre de distribution et la configuration du canal qui lui est adapté. Pour cette raison les quantités numériques d'air alimentant la chambre n'ont que peu de signification tant qu'on considère le procédé, mais il est plus significatif de prendre en considération la vitesse linéaire de l'air projeté par le canal.
Alors que, comme on l'a déjà dit, la vitesse linéaire de l'air projeté par le canal peut varier suivant le polymère extrudé, I'épaisseur du produit extrudé et la distance qui sépare le canal de la filière d'extrusion, on a trouvé que la gamme avantageuse des vitesses linéaires se situe de 1220m/mn à 2130 m/mn pour la production de feuilles de polytéréphtalate d'éthylèneglycol d'une épaisseur de 102 à 63 Z avec le canal placé à environ 13 mm de l'ouverture de la filière d'extrusion.
Ces vitesses linéaires sont calculées à la sortie du canal mais elles se maintiendront en fait sur une distance d'environ 9,5 mm. Les vitesses réelles de l'air au moment où il arrive sur l'ouverture de la filière se situeront donc dans cet intervalle ou seront quelque peu inférieures suivant la distance qui sépare l'ouverture du canal.
Plutôt que de laisser les extrémités du tambour de coulée ouvertes pour permettre l'évacuation de l'air pollué de la région de l'ouverture de la filière par simple déflection de l'air sur le bord de l'ouverture de la filière et sur la surface de la feuille extrudée, on a trouvé qu'il était plus pratique dans certains cas, pour l'extrusion des feuilles larges par exemple, de prévoir des facilités d'évacuation, non représentées, autour des zones périphériques et en retrait de la filière. A cet égard, pour empêcher le dépôt de corps étrangers aux extrémités de l'ouverture de la filière qui pourraient conduire à la formation de bords frippés sur la feuille extrudée, il pourrait être souhaitable d'entraîner l'air pollué à distance de l'ouverture de la filière ainsi que sur toute sa longueur.
On peut atteindre ce résultat, sans utiliser d'autres canaux, en enfermant les extrémités et la surface de cette partie du rouleau de coulée situées à proximité de la filière d'extrusion dans un coffrage bien adapté, non représenté, et en y faisant le vide. Cette réduction de pression sur la face inférieure de la feuille extrudée attire l'air du canal 22 autour des bords de la feuille extrudée 12 et par-dessus les extrémités d'ouverture de la filière pour entraîner tout air pollué à distance.
Si le dépôt de produit parasite sur la lèvre arrière de l'ouverture 11 de la filière d'extrusion devient un problème, il peut être alors souhaitable ou nécessaire de placer un canal sur l'autre face des feuilles extrudées pour entraîner l'air pollué à distance de la lèvre arrière 15.
L'exemple d'un cas où il est particulièrement utile d'avoir un canal sur les deux faces d'une feuille est le cas où la filière extrude verticalement sur le sommet du rouleau de coulée plutôt que suivant un angle tel que représenté au dessin annexé. Dans ce cas, le dépôt de produit parasite, et l'incidence et l'importance des rides de coulée, se présenteraient d'une manière identique sur les deux faces de l'ouverture de la filière d'extrusion.