FR2484326A1 - Vis d'extrudeuse - Google Patents

Abstract

VIS SANS FIN POUR L'EXTRUSION DE POLYMERES A L'ETAT FONDU HOMOGENE. VIS 10 COMPORTANT AU MOINS UNE SECTION PRESENTANT PLUSIEURS SEGMENTS D'AILETTES PRIMAIRES 14 FAISANT SAILLIE D'UN ARBRE 12 ET DEFINISSANT AU MOINS DEUX CANAUX PRIMAIRES ADJACENTS 16 D'ECOULEMENT SEPARES POUR LE MATERIAU EXTRUDE, ET PLUSIEURS SEGMENTS D'AILETTES SECONDAIRES 18 DEFINISSANT AU MOINS DEUX CANAUX SECONDAIRES ADJACENTS 20 QUI DIVISENT LE MATERIAU CIRCULANT DANS LES CANAUX PRIMAIRES EN DEUX COURANTS, ET COMBINENT UN COURANT PROVENANT D'UN CANAL PRIMAIRE AVEC UN COURANT PROVENANT D'UN CANAL PRIMAIRE ADJACENT. APPLICATION A L'AUGMENTATION DES FORCES DE CISAILLEMENT DANS LES CONCENTRATIONS DE VISCOSITE PLUS IMPORTANTE DE MANIERE A EN FAVORISER LA FUSION.

Description

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VIS D'EXT RUDEUSE

L'invention concerne une vis sans fin pour l'extrusion de par-

ticules solides de matériau polymère dans un état fondu homogène.

Le procédé d'extrusion par vis utilise une vis sans fin allongée tournant dans le perçage d'un cylindre d'extrusion chauffé. Cette vis com- porte des ailettes ou pales saillantes. Durant la rotation de la vis, le matériau solide ou en particules, qui a été introduit dans l'extrudeuse au niveau d'une extrémité d'alimentation du cylindre, avance vers un orifice de sortie, ou une filière de mise en forme à l'autre extrémités. Le matériau solide ou en particules est fondu par le transfert de chaleur à partir du

cylindre d'extrusion chauffé et oar des forces de cisaillement et de frotte-

ment. Lorsque le matériau solide avance dans l'extrudeuse, il est confiné dans un canal défini par les ailettes saillantes de la vis d' extrudeuseo La rotation de la vis et les forces de frottement résultantes du matériau solide contre le nerçage et la vis ont pour effet que le matériau solide se rassemble contre le bord avant de l'ailette arrière, suivant une théorie classique lorsque le rassemblement de matériau solide entre en contact avec le cylindre chauffé, il commence à fondre en formant une mince pellicule de matériau fondu sur la surface du perçage. Dès que l'épaisseur de la pellicule devient plus importante que l'intervalle entre les ailettes de la vis et le diamètre intérieur du perçage, les ailettes commencent à racler la pellicule de

matériau fondu sur le perçage et la poussent dans le canal derrière le maté-

riau solide, forçant ainsi le matériau solide vers la partie de l'ailette formant le bord arrière de l'ailette avant Les concentrations de matériau solide non fondu possédant une viscosité plus importante ont tendance à se déplacer vers le centre des canaux de la vis en s'écartant de la zone de forces de cisaillement importantes, et les concentrations de matériau fondu de viscosité plus faible onttendance à rester sur le c8té extérieur du canal exposé aux forces de cisaillement plus importantes. Suivant les lois de la thermodynamique, cette condition est stable et ne favorise pas l'homogénéité

de la masse fondue.

On a utilisé différents agencements et différentes conceptions

pour essayer d'obtenir l'homogénéité de la masse fondue. Une solution tradi-

tionnelle a consisté à augmenter le temps de séjour du matériau dans l'extru-

deuse. Ceci a Atenu en allongeant la vis ou en diminuant la vitesse de rotation de la vis. Du fait des colts supplémentaires impliqués et de la réduction du débit de sortie, aucune de ces variantes ne s'est révélée

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souhaitable. Ensuite, on a mis au point différentes aporoches, utilisant différentes structures telles que des bagues mélangeuses ou des groupes de broches nour briser le diagramme d'écoulement et oour augmenter les forces de cisaillement agissant sur les parties solides restantes afin d'améliorer l'homogénéité de la masse fondue. Un exemple de cette approche figure dans le brevet américain no 4 154 536 qui décrit une vis d'extrudeuse comportant une section intermédiaire dans laauelle les ailettes hélicoidales de la vis sont interromnues suivant leur circonférence et dans laquelle les bords avant

de ces ailettes interrompues ont la forme d'uns rampe inclinée qui est uti-

lisée pour aplatir les morceaux non fondus du matériau solide, ce aui aug-

mente leur surface. Cependant, les conceptions utilisant cette technique sont limitées, tout d'abolrd par la résistance que ces structures imposent à l'écoulement de matériau fortement visqueux, et deuxièmement par la tendance qu'ont les particules plus petites à fuir le contact avec les structures, et à passer plutSt entre les structures, de ranière à échapper à des forces de

cisaillement supplémentaires.

Une autre approche a consisté à utiliser une méthode de filtrage comme dans le brevet américain no 4 128 341, qui décrit une vis d'extrudeuse comportant plusieurs ailettes hélicoïdales disposées les unes à côté des autres

autour de la surface de la vis en faisant saillie par rapport à celle-ci.

Dans cet agencement, au moins une des ailettes (ailette de barrage) possède

un diamètre qui peut retenir certaines particules solides dans un canal défi-

ni devant l'ailette de barrage, mais qui permet au matériau fondu de passer au-dessus dans un canal séparé défini derrière l'ailette de barrage. De cette manière, la masse fondue peut être évacuée vers le canal séparé ou elle ne peut pas isoler les particules solides restantes. Cependant, ce concept ne

fonctionne de façon idéale que pour une seule vitesse de la vis. A des vi-

tesses plus importantes ou plus faibles de la vis, la masse fondue n'avance

pas à la vitesse supposée et le mécanisme ne fonctionne pas de la façon prévue.

En outre, une accumulation de matériau solide a tendance à se former devant l'ailette de barrage et à em-,cher le passage du matériau fondu dans le

carel prévu pour celui-ci.

La présente invention a tour but une vis d'extrudeuse qui permet d'introduire des forces de cisaillement Plus iapoxtantes dans les

concentrations de matériau de viscosité plus importante pour augmenter l'ef-

ficacité de fusion de l'extrudeuse, pour différentes vitesses de la vis, et

sans ajouter une résistance importante à l'encontre de l'écoulement de maaté-

riau.

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La vis d'extrudeuse suivant la orésente invention se caracté-

rise en ce qu'au moins une section comporte un arbre présentant une surface et plusieurs segments d'ailettes primaires faisant saillie et espacés autour de ladite surface en définissant au moins deux canaux primaires adjacents entre lesdits segments urimaires, ces canaux permettant des trajets d' écou- lement séparés oour le matériau extrudé le long de ladite vis, et plusieurs segments d'ailettes secondaires faisant saillie et espacés autour de ladite

surface de façon à s'interposer longitudinalement entre les extrémités des-

dits canaux prmires, ces segments d'ailettes secondaires définissant entre

eux, au moins deux canaux secondaires adjacents, de manière que lesdits seg-

ments d'ailettes secondaires permettent une division du matériau circulant dans chacunm des canaux pviravres vers deux trajets d'écoulement, et que lesdits canaux secornaires Permettent la combinaison d'un des trajets d'écoulement

provenant d'un des canaux primaires avec un des trajets d'écoulement prove-

nant d'un canal primaire adjacent.

L'introduction des segments d'ailettes secondaires dans les canaux Primiires introduit des forces de cisaillement supplémentaires dans les concentrations de viscosité plus importante. Le diagramme d'écoulement résultant dans les canaux secondaires expose les concentrations de viscosité plus imoortante à des zones de forces de cisaillement importantes, tandis ue le i.atériau fondu de faible viscosité est contenu dans une zone centrale

oà les forces de cisaillement sont faibles. Comme il découle de ce qui pré-

cède, c'est une condition instable du point de vue thermodynamique, et retour facile à la condition stable décrite ci-dessus. Cependant, la division des concentrations de viscosité plus importante en deux composantes a deux

effets. Tout d'abord, une surface plus importante des concentrations de vis-

cosité plus importante est exposée au matériau fondu plus chaud, et au per-

çage d'extrusion et à la vis. Deuxièmement, les forces de cisaillement plus

importantes à l'intérieur des concentrations de viscosité importante y pro-

duisent de la chaleur. Ces deux effets favorisent une meilleure fusion des

concentrations de viscosité dlus importante.

Suivant les exigences de traitement du matérinu devant être extrudé, la ovésente invention peut être appliquOe à plusieurs conceptions de vis y compris celles comportant olusieurs sections (c'est-à-dire des sections de mesure, des sections de mélange, etc...) quels que soient la

lonjueur ou les diamètres des sections de vis particulières. La vis d'extru-

deuse sLliva-.nt la,résente invention utilise des r-é6étitions consécutives de la structure de segments d'ailettes primaires et secondaires de manière à diviser de façon répétée les concentrations de viscosité plus élevée et

permettre de façon répétée la recombinaison du matériau divisé qui y circule.

Cette structure favorise un mélange efficace des matériaux de viscosité plus importante et plus faible d'une manière guilde façon généraleddépend moins de la vitesse de la vis, et qui est moins susceptible d'introduire des forces de frottement non souhaitées dans le diagramme d'écoulement, que les variantes

décrites ci-dessus.

On remarquera que, bien que le processus de fusion ci-dessus ait été décrit dans les termes d'une théorie de fusion classique (c'est -à-dire le modèle de Jepson), l'utilisation pratique de cette vis d'extrudeuse n'est pas limitée à cette théorie. La vis d'extrudeuse suivant l'invention s'applique également avec d'autres théories de modèle, tel que les "modèles de fusion à mélange dissipatif" décrits dans un traité récemment publié ayant pour titre "Principles of Polymer processing" par Zehev Tedmor et Costas G. Gogos, publié en 1979 par John Wiley and Sons (voir par exemple page 324). Le sujet de ce traité est indiqué ici à titre de référence. Des modèles de fusion à mélange

dissipatif sont particulièrement utiles lors de la description du fonctionne-

ment d'extrudeuses à système d'alimentation à gorges capables d'atteindre des pressions supérieures à 35 XPa. A ces pressions, le comportement du matériau extrudé ne peut plus être expliqué en termes de matériau solide et de matériau

fondu étant donné que même le matériau solide a tendance à subir une déforma-

tion continue caractéristique d'un matériau plus fluide. La vis suivant la présente invention convient bien pour être utilisée dans ces extrudeuses à

système d'alimentation à gorges.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture dla

description détaillée qui va suivre et à l'examen des dessins annexés qui re-

présentent, à titres d'exemples non limitatifs deux modes de réalisations de l'invention. La figure 1 est une vue en perspective d'une vis d'extrudeuse suivantla présente invention; La figure 2 est une vue en coupe transversale suivant la ligne 2.2 de la figure 1; La figure 3 est une vue en élévation représentant les segments d'ailettes de la vis représentée sur la figure 1 tels qu'ils apparaîtraient s'ils étaient déroulés de la circonférence de la vis;

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La figure 4 est une représentation partielle illustrant l'écou-

lement du matériau extrudé le long de la vis suivant la présente invention;

Les figures 5(a) à 5(t) sont des vues en coupe à échelle agran-

die du matériau extrudé tel qu'il apparaît dans différentes positions lors de son déplacement suivant la longueur de la vis d'extrudeuse dans l'un quelcon- que des différents carnaux de la vis d'extrudeuse représentée sur la figure 4; et La figure 6 est une vue en perspective d'une variante d'une

vis d'extrudeuse suivant la présente invention.

Comme représentée sur les figures 1 à 3, la vis d'extrudeuse suivant la présente invention comprend au moins une section qui comporte un arbre 12 Drésentant plusieurs segments d'ailettes orimaires 14 faisant

saillie et esnacées autolur de sa surface. Dans les modes de réalisation repré-

sentés, ces seglents d'ailettes primaires 14 sont disposés circonférentielle-

ment autour d'un arbre 12 en définissant entre eux plusieurs canaux hélicoi'-

daux adjacents 16. Ces canaux primaires 16 permettent des trajets d'écoulement

séparés pour le matériau qui doit être extrudé.

Dans les canaux primaires 16 sont interposés longitudinalement plusieurs segments d'ailettes secondaires 18 oui font également saillie et sont espacés autour de la surface de l'arbre 12 de la vis d'extrudeuse. Les segments d'ailettes sectndaires 13 sont de préférence positionné s de manière

ou'il y ait un léger chevauchement entre une extrémité des segments d'ai-

lettes primaires 14 et une extrémité des segments d'ai-

lettes secondaires 18.Dans le mode de réalisation préféré, cette distance est typiquement comurise dans la gammne allant de 1 à 3 mm. Ce chevauchement est souhaitable Pour ermpcher un déplacement non contr8lé du matériau extrudé entre des canaux. Cependant, si le chevauchement est trop important, le nombre de répétitions des segments d'ailettes primaires et secondaires 14 et 18 qui peuvent être obtenues sur une longueur donnée de vis devient plus faible et

l'efficacité & la vis est amoindrie.

On remarquera qu'il existe d'autres techniques suggérant qu'tun écoulement se croisant à 90 à l'intérieur du matériau est souhaitable pour

favoriser le mélange. La mise en oeuvre de ces techniques implique l'utilisa-

tion d'un intervalle délibéré au lieu d'un chevauchement. Dans l'un ou l'autre cas, la position exacte dans laquelle les segments d'ailettes secondaires 18 s'interposent dans les canaux primaires 16 dépend des caractéristiques du matériau extrudé. De façon typique, les segments d'ailettes secondaires 18 sont situées à mi-chemin entre les segments d'ailettes primaires 14. Dans ce

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cas, le matériau alu circule dans les canaux primaires 16 a tendance à être divisé également par les segments d'ailettes secondaires 18. Cependarnt, avec certains matériaux il Peut 8tre souhaitable de disposer les segments d'ailettes secondaires 18 autre part qu'à mi-chemin entre les segments d'ailettes primaires 14. les segments d'ailettes seconda-res 18 définissent au moins

deux canaux secondaires 20, formant de nouveau des trajets d'écoulement sépa-

rés pour le matériau extrudé. A la fois, les canaux primaires 16 et les canaux secondaires 20 oossèdent de préférence une section transversale carrée, mais ils peuvent être jusqu'à deux fois plus larges que orofonds. Les dimensions réelles dépendent de la conception particulière de la vis qui est déterminée

par le matériau devant être extrudé.

Les longueurs des segments d'ailettes 14 et 18 sont également déterminées par les caractéristiques du matériau extrudé; cependant, de façon typique la longueur des segments d'ailettes est égale à quatre à cinq fois la profondeur des canaux 16 et 20. Cette distance est adéquate pour fournir le diagramme d'écoulement souhaité qui va être décrit. Pour mieux se rendre compte, l'agencement des ailettes 14 et 18 est représenté sur la figure 3 comme

si les ailettes avaient été déroulées de l'arbre 12 de la vis d'extrudeuse.

Cette figure montre l'agencement alterné, l'emplacement des segments d'ailettes

respectifs, et la répétition des segments d'ailettes 14 et 18.

Le diagramme d'écoulement résultant est représenté sur la figure 4. Pour plus de clarté, une série de vues en coupe à échelle agrandie prises le long de ce trajet d'écoulement est représentée sur les figures 5(a) à

5(t.

Le matériau introduit initialement dans l'extrudeuse est solide

ou possède une viscosité plus importante que celle souhaitée pour un traite-

ment final. Ce matériau 24 de viscosité plus importante est représenté par

une moucheture sur les figures 4 et 5(a) à 5(t). Lorsque le matériau 2A de vis-

cosité plus importante avance le long de la vis 10, dans la direction indiquée par la flèche 21, il commence à fondre sous l'effet de la chaleur transférée par le cylindre d'extrusion et des forces de cisaillement existant entre le matériau, le cylindre et la vis 10. Une région de matériau 26 de viscosité plus faible commence à former une pellicule qui recouvre (voir fig.5(b)) les ailettes primaires 14 et le cylindre d'extrusion (non représenté). Cette

pellicule de matériau 26 de viscosité plus faible forme une couverture iso-

lante autour de la concentration de matériau 24 de viscosité plus importante.

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Sivantr les 'rincipes de la thermodynamique, le matériau 24 de viscosité plus importante a tendance à migrer vers le centre des canaux 16. Ceci a lieu du fait que l'entropie dans le système est maximisée chaque fois que le matériau

de viscosité importante se trouve dans une région o. les forces de cisaille-

ment sont rminimales, et que le matériau de viscosité plus faible se trouve dans une région o les forces de cisaillement sont maximales. Cette condition d'entropie maximale est une condition très stables qui se maintiendrait si les segments d'ailettes secondaires 18 n'étaient pas introduits. Ces segments d'ailettes secorndaires sont positionnés dans les canaux 16 de manière à diviser le matériau 24 de viscosité plus importante vers deux trajets d'écoulement, c'est à dire un trajet supérieur 28 au-dessus du segment d'ailette secondaire 18, et un trajet inférieur 30 au-dessous du segment d'ailette secondaire 18 (voir figure 5 (c)). L'introduction du segment d'ailette secondaire 18 fait apoaraitre une région de forces de cisaillement importantes à l'intérieur de la concentration de matériau 24 de viscosité importante. Cette condition provoque une fusion supplémentaire, ce qui réduit la quantité de matériau de

viscosité plus importante dans les trajets supérieur et inférieur 28 et 30.

Cette fusion est due aux forces de cisaillement supplémentaires qui ont été introduites dans les concentrations de viscosité importante9 ainsi qu'à la surface plus importante des composants divisés Lorsque le matériau continue à avancer le long de la vis d'extrudeuse 10, le matériau fondu supplémentaire s'intègre au matériau 26 de viscosité plus faible existant qui a tendance à recouvrir les trajets d'écoulement 28 et 30. En réponse à la maxiiisation

de l'entropie, les trajets 28 et 30 migrent vers le centre des canaux secon-

daires 20 (voir figure 5 (d)).

Etant donné que plusieurs canaux secondaires 20 sont disposés autour de l'arbre 12, le même processus se déroule dans des canaux primaires et secondaires adjacents (non représentés). L'introduction d'un segment

d'ailette secondaire adjacent (non représenté) a également divisé une concen-

tration adjacente de matériau de viscosité plus importante vers un trajet

supérieur (non représenté) et un trajet inférieur 32. En réponse à la maximi-

sation de l'entropie, ces deux trajets d'écoulement 28 et 32 ont tendance à se

réunir (voir figures 5 (e) et 5 (f)) en un trajet unique 34, disposé centrale-

ient dans le canal secondaire au-dessus du segment d'ailette 18. On remarquera qu'il faut un certain temps pour que les trajets d'écoulement adjacents se réunissent pour former un trajet unique dans les canaux secondaires. C'est ce temps qui détermine la longueur des segments d'ailettes 14 et 18o

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La condition ainsi établie est très similaire à celle décrite

initialement du fait qu'une concentration centrale de matériau 34 de vis-

cosité importante est maintenant située au centre dans un canal situé au dessus du segment d'ailette 18. Cette concentration 34 est recouverte par une région de matériau 26 de viscosité plus faible. Cependant, on peut voir que les dimensions de la concentration de matériau 34 de viscosité plus

importante diminuent par suite du processus de fusion décrit ci-dessus. Lors-

que le matériau continue à avancer le long de la vis 10, ce processus de division de la concentration de matériau 34 de viscosité plus importante est

répété par l'introduction d'un autre segment d'ailette 36. Le segment d'ai-

lette 36 s'interpose longitudinalement dans le canal secondaire pour séparer

le matériau 34 de viscosité plus importante vers un trajet d'écoulement supé-

rieur (non représenté) et un trajet d'écoulement inférieur 38. De façon simi-

laire, un segment d'ailette adjacente 40 divise également une concentration

réduite de matériau 42 de viscosité plus importante vers un trajet d'écoule-

ment supérieur 44 et un trajet d'écoulement inférieur (non représenté). Ces trajets d'écoulement 42 et 44 se réunissent de nouveau en direction du centre du canal défini entre les segments d'ailettes adjacents 36 et 40 pour former un trajet d'écoulement unique 46. Ce trajet d'écoulement 46 est de nouveau divisé par l'introduction d'un segment d'ailette 48. On peut voir qu'au fur et à mesure de ces divisions et recombinaisons sur la longueur de la vis 10, les

dimensions de la concentration de matériau de viscosité plus importante dimi-

nuent dans les tr&iajets d'écoulement résultants.

La structure suivant la présente invention n'est pas limitée à des

vis d'extrudeuse dont les ailettes y sont disposées hélicoïdalement. Au con-

traire, l'absence d'exigences de pompage de l'application du procédé parti-

culier permet d' appliauer la présente invention à une vis d'extrudeuse dans laquelle les segments d'ailettes 50 et 52.sont disposés parallèlement à l'axe

longitudinal de l'arbre 54. Ce second mode de réalisation de la présente in-

vention est représenté sur la figure 6. 10 Suivant la conception spécifique de la vis/(c'est à dire comme déterminé par les caractéristiques et les facteurs de traitement du matériau devant être extrudé), on peut utiliser différents diamètres et différentes longueurs pour les vis, ainsi que différentes relations entre le diamètre de l'arbre et le diamètre des ailettes. De même, le pas, ou la distance entre des points correspondants sur des parties adjacentes d'une ailette donnée,

est aussi une variable de conception dans le cadre de l'invention.

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Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée à l'exemlole

décrit et représenté, elle est susceptible de nombreuses variantes acces-

sibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans s'é-

carter tour cela du cadre de l'invention.

REVEI.DICATIONS

1. Vis d'extrudeuse caractérisée en ce ou'au moins une section comporte un arbre présentant une surface et plusieurs segments d'ailettes Primaires faisant saillie et espacés autour de ladite surface en définissant au moins deux canaux primaires adjacents entre lesdits segments;:rimaires, ces canaux permettant des trajets d'écoulement sépa:rés Pour le matériau extrudé le long de ladite vis, et plusieurs segments d'ailettes secondaires faisant saillie et espacés autour de ladite surface de façon à s'interposer longitudinalement entre les extrémités desdits canaux primaires. ces segments d'ailettes secondaires définissant entre eux au moins deux canaux secondaires adjacents, de manière que lesdits segments d'ailettes secondaires permettent une division de matériau circulant dans chacun des canaux primaires vers deux trajets d'écoulement, et que lesdits canaux secondaires permettent la combinaison d'un des trajets d'écoulement provenant d'un des canaux primaires

avec un des trajets d'écoulement provenant d'un canal primaire adjacent.

2. Vis d'extrudeuse suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport de la hauteur des segments d'ailettes, par rapport à la surface de l'arbre, à la distance entre des segments d'ailettes adjacents

sur ledit arbre est compris dans la gamme allant de 1/1 à 1/2.

3. Vis d'extrudeuse suivant la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits segments d'ailettes sont disposés h'.licoEdalement autour de l'arbre. 4. Vis d'extrudeuse suivant la revendication 1, caractérisée en

ce que lesdits segments d'ailettes sont disposés parallèlement à l'axe longi-

tudinal de l'arbre.

5. Vis d'extrudeuse suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'une extrémité des segments d'ailettes primaires chevauche sur une

courte distance une extrémité des segments d'ailettes secondaires.

6. Vis d'extrudeuse suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la longueur des segments d'ailettes est égale à moins de quatre fois

la distance entre des segments d'ailettes adjacents.