LU100712B1 - Fil multifilamentaire en polyamide 46 a retrait eleve - Google Patents

Abstract

La présente invention propose un fil multifilamentaire en polyamide 46 qui est caractérisé par une valeur de retrait libre entre 6 et 8 %, une valeur de force de retrait supérieure à 0,35 g/denier, ainsi qu'un procédé de production du fil en question.

Description

FIL MULTIFILAMENTAIRE EN POLYAMIDE 46 A RETRAIT ELEVE

Domaine technique de l'invention

La présente invention concerne un procédé de production d'un fil multifilamentaire en polyamide 4.6 utile pour des applications de renforcements de bandages pneumatiques.

Fondement de l'invention

Les thermoplastiques tels que le polyamide 6 et le polyamide 66 représentent des matières de départ largement utilisées pour la production de divers matériaux de renforcement ou de diverses pièces dans l'industrie automobile. Du fait qu'il dispose d'une structure moléculaire plus cristalline, le polyamide 46 possède des propriétés thermomécaniques avantageuses par rapport à celles à la fois du polyamide 6 et du polyamide 66. Étant donné qu'il possède des températures de fusion et de transition vitreuse plus élevées, le polyamide 46 manifeste un module d'élasticité significativement supérieur par rapport à celui du polyamide 66 dans des environnements de températures élevées. Cet avantage intrinsèque du polyamide 46 fait qu'il est utilisé dans l'industrie automobile pour plusieurs applications "sous le capot" au lieu du polyamide 66.

Grâce à son aptitude au filage ou à la filature, le polyamide 46 peut également être transformé en fibres industrielles. On trouve des exemples d'utilisations de fibres en polyamide 46 pour le renforcement de coussins de sécurité gonflables, de courroies en V, de courroies transporteuses ou de bandages pneumatiques. Dans ces applications, les fibres en polyamide 46 sont rapportées comme procurant un module d'élasticité significativement supérieur à des températures élevées par rapport à celui du polyamide 66, en conférant ainsi une résistance supérieure à la déformation aux produits qu'elles renforcent.

Par ailleurs, la structure moléculaire hautement cristalline du polyamide 46 fait de la confection de fibres industrielles en polyamide 46 un processus délicat. Le polyamide 46 présente une tendance beaucoup plus importante à la dégradation au cours du traitement en fusion par rapport au polyamide 66.

Ce comportement entrave l'obtention des propriétés mécaniques et thermiques avantageuses du polyamide 46 sous la forme d'un fil, à moins de prendre de manière adéquate des mesures spécifiques dans le processus de production du fil en polyamide 66, telles que : le fait de sécher suffisamment le polyamide 46 à titre de matière de départ (sous la forme de granulés) avant le traitement en fusion, le fait de maintenir le temps de séjour de la phase en fusion aussi minime que possible et le fait d'optimiser le processus de filage ou de filature du fil.

En outre, le prix relativement élevé du polyamide 46 limite son utilisation aux applications mentionnées. Néanmoins, des fibres en polyamide 46 sont toujours utilisées à l'échelle industrielle dans un certain nombre d'applications spécialisées dans lesquelles le prix élevé peut se justifier, comme par exemple lorsqu'il s'agit de confectionner des fils de tissus destinés à des coussins de sécurité gonflables.

Au cours des dernières décennies, des tentatives ont été réalisées pour utiliser la résistance marquée au fluage du polyamide 46 dans des textiles de renforcement de bandages pneumatiques (des tissus câblés pour bandages pneumatiques) à titre de remplacement potentiel du polyamide 66 qui représente la matière de base conventionnelle pour la production de tissus câblés de bandages pneumatiques, que l'on utilise dans les nappes de sommet de bandages pneumatiques du type à nappes radiales. Bien que les bénéfices mentionnés dans le cadre de l'utilisation du polyamide 46 aient été observés dans des applications de renforcements de bandages pneumatiques, un des obstacles majeurs dans la mise sur le marché d'une utilisation d'un fil en polyamide 46 dans des bandages pneumatiques concerne la propriété de retrait thermique intrinsèquement faible des fils en polyamide 46, par rapport à celle des fils en polyamide 66.

Le retrait thermique, à savoir le pourcentage de retrait d'un fil lorsque celui-ci est exposé à un environnement chauffé, représente une propriété cruciale pour des fils en polyamides qui sont destinés à la production de tissus câblés de bandages pneumatiques. Le tissu câblé, qui est incorporé dans la nappe de sommet du bandage pneumatique, exerce une force dans la direction inverse de celle de l'élargissement du bandage pneumatique et stabilise les dimensions du bandage pneumatique dans des conditions de services (de roulage). Cette force antagoniste qu'exerce le tissu câblé est désignée par l'expression "force de retrait" et est directement proportionnelle à la propriété de retrait thermique du tissu câblé, par conséquent des fils en polyamide à partir desquels est fabriqué le tissu câblé. La force de retrait est particulièrement importante pour des bandages pneumatiques conçus pour la course automobile qui doivent faire face à des températures et à des forces centrifuges bien plus que non négligeables.

La valeur de "retrait libre" est un indicateur direct de la propriété de retrait thermique d'un fil en polyamide et elle est caractérisée par la formule (lo-li)/lo x 100 où lo représente la longueur de l'échantillon de fil qui fait l'objet d'un conditionnement à une température de 20 °C et sous une humidité relative de 65 % pendant 4 heures sous une tension de 0,05 g/denier et h représente la longueur du même échantillon sous la même tension après avoir été chauffé dans un four à une température de 180 ± 2 °C pendant 30 minutes à l'état non étiré, avant de le soumettre à conditionnement à 20 °C et sous une humidité relative de 65 % pendant 4 heures.

Pour des fils multifilamentaires en polyamide qui sont destinés à des applications de renforcement de bandages pneumatiques, une valeur de force de retrait qui est supérieure à 0,35 g/denier (conformément à la norme ASTM D5591) est extrêmement bénéfique pour procurer une stabilisation efficace des dimensions du bandage pneumatique à des températures de services élevées (par exemple supérieures à 100 °C) et à des vitesses de rotation élevées (par exemple supérieures à 1400 révolutions par minute). Un fil multifilamentaire en polyamide possédant une valeur de retrait libre inférieure à 6 % ne va pas procurer la valeur de force de retrait mentionnée. Par ailleurs, un fil en polyamide possédant un retrait libre excessif (c'est-à-dire supérieur à 10 %) n'est pas favorable étant donné que le tissu câblé réalisé à partir d'un fil de ce type est soumis à un retrait qui s'avère trop important et qui détériore la résistance à la déformation du bandage pneumatique.

Les brevets EP0381281 (A3) et KR 900007087 (B1) et W002095096 (A1) concernent un fil multifilamentaire en polyamide 46 ainsi que des procédés de production d'un tel fil. Néanmoins, le fil multifilamentaire en polyamide 46 que l'on produit dans ces brevets est rapporté comme ayant une valeur de retrait libre inférieure à 5 %, cette valeur étant insuffisante pour confectionner un tissu câblé qui possède des niveaux de retrait et de force de retrait qui sont nécessaires pour conférer une bonne performance de stabilisation à des bandages pneumatiques qui sont censés résister à des températures et à des vitesses de rotation très élevées, tels que des bandages pneumatiques conçus pour la course automobile. La présente invention est nouvelle dans le sens où elle produit un fil multifilamentaire en polyamide 46 possédant une valeur de retrait libre supérieure à 6 % (de préférence de 6,5 %), qui est essentiellement bénéfique pour des applications mentionnées concernant le renforcement de bandages pneumatiques.

Objets de l'invention

La présente invention comprend la production d'un fil multifilamentaire en PA 46 manifestant une valeur de retrait libre entre 6 % et 8 % mesurée conformément au procédé expliqué. L'invention s'avère bénéfique pour la confection d'un tissu câblé pour bandages pneumatiques, qui procure une stabilisation efficace de l'intégrité du bandage pneumatique dans des conditions rigoureuses de mise en service (par exemple à des températures du bandage pneumatique qui sont supérieures à 100 °C et à des vitesses de rotation qui sont supérieures à 1400 tours/minute) par le fait qu'il exerce une force de retrait élevée dans la direction inverse à celle de l'élargissement du bandage pneumatique dans les conditions indiquées. Grâce à la présente invention, on élimine un des inconvénients les plus importants liés à l'utilisation d'un fil en polyamide 46 dans des textiles conçus pour le renforcement de bandages pneumatiques.

Brève explication de la Figure

La brève explication de la figure qui est annexée au présent document est uniquement destinée à fournir une meilleure compréhension de l'invention et, comme telle, n'a pas pour objet de définir le cadre de protection ou le contexte dans lequel ledit cadre doit être interprété en l'absence de la description.

La figure 1 est une vue schématique d'un équipement de production d'un fil multifilamentaire conformément à la présente invention.

Les chiffres de référence utilisés dans la figure 1 se rapportent aux éléments indiqués ci-dessous d'une forme de réalisation d'un équipement de production d'un fil multifilamentaire ; 1. Chambre de refroidissement rapide ; 2. Paire de cylindres de filage 1 ; 3. Paire de cylindres de filage 2 ; 4. Paire de cylindres de filage 3 ; 5. Paire de cylindres de filage 4 ; 6. Paire de cylindres de filage 5 ; 7. Paire de cylindres de filage 6 ; 8. Cylindre de traction ; 9. Renvideur.

Description détaillée de l'invention

Dans le but de conférer les propriétés intrinsèques avantageuses du polyamide 46 au fil étiré, des mesures sont prises dans les étapes de production du fil. Les granulés de polyamide 46 (matière de départ) sont séchés comme il se doit avant le traitement en fusion. Le temps de séjour de la phase en fusion a été maintenu aussi minime que possible. Enfin, les conditions de filage du fil ont été optimisées.

On alimente en continu un silo de réaction pour une polymérisation à l'état solide (SSP) avec des granulés de polyamide 46 disponibles dans le commerce possédant une viscosité relative d'au moins 105 (sans unité, selon la norme ASTM D 789) et une teneur initiale en humidité maximale de 1000 ppm (norme ASTM D 6869). La fonction du réacteur SSP dans la présente invention se limite à éliminer l'humidité des granulés de polyamide 46 par recirculation d'azote gazeux à travers les granulés. On fait passer de l'azote gazeux dont la température se situe dans la plage de 160 à 180 °C à travers le réacteur rempli avec les granulés en polyamide 46 à un débit qui se situe dans la plage de 300 à 500 m3/heure. À l'intérieur du réacteur SSP, la viscosité relative des granulés en polyamide 46 ne se modifie pas. À l'inverse, la teneur des granulés en humidité diminue jusqu'à atteindre une valeur inférieure à 90 ppm (norme ASTM D 6869).

On fait entrer les granulés en polyamide 46 qui quittent le réacteur SSP dans une extrudeuse à une seule vis sans fin dans laquelle le polyamide 46 est soumis à un traitement en fusion. Étant donné que la présence d'humidité fait en sorte de diminuer la viscosité relative du polyamide 46 au cours du traitement en fusion, la teneur en humidité des granulés de polyamide 46 doit être aussi minime que possible à la sortie du réacteur SSP pour pouvoir atteindre la viscosité relative la plus élevée possible qui est essentielle pour obtenir les propriétés mécaniques nécessaires dans le fil multifilamentaire (la viscosité relative est une mesure du poids moléculaire moyen des chaînes polymères). Dans ce processus, le procédé de séchage que l'on a évoqué permet d'obtenir la teneur en humidité la plus basse possible tout en évitant une quelconque diminution de la viscosité relative des granulés en PA 46.

La viscosité relative du PA 46, qui possède un point de fusion s'élevant à environ 290 °C, diminue en fonction de la température de la phase en fusion et du temps de séjour (plus élevée seront la température de la phase en fusion et le temps de séjour, plus élevée sera la diminution de la viscosité relative). En conséquence, les températures des zones de l'extrudeuse sont maintenues à des valeurs optimisées qui sont suffisantes pour la mise en oeuvre du processus en fusion, tout en limitant la diminution de la viscosité relative pour autant que possible. Plus précisément, les températures des zones de l'extrudeuse dans le procédé de la présente invention sont réglées pour se situer dans un intervalle de 280 à 305 °C. La masse fondue de polyamide 46 qui quitte l'extrudeuse à une seule vis sans fin est maintenue à une température dans la plage de 305 à 315 °C.

La masse fondue de polyamide 46 qui quitte l'extrudeuse est transportée à travers une ligne de transfert à l'entrée des pompes de filage à engrenages. La fonction des pompes de filage consiste à extruder le polymère travers des filières à un débit constant dans le but d'obtenir des filaments possédant une épaisseur minutieusement réglée, plus précisément de 6 dpf (denier par filament).

Dans le procédé de la présente invention, trois pompes de filage adjacentes procurent un débit de la masse fondue de 112 kg/heure. Étant donné que le volume total du cylindre de l'extrudeuse et de la ligne de transfert s'élève à 6222 cm3, le temps de séjour total de la phase en fusion du polyamide 46 dans le procédé de la présente invention est approximativement inférieur à 5 minutes (en partant de l'hypothèse que la masse volumique spécifique du polyamide 46 dans la phase en fusion s'élève à 1,2 g/cm3).

La masse fondue de polyamide 46 quittant les filières sous la forme de filaments est soumise à un refroidissement rapide avec de l'air possédant une température entre 12 et 18 °C et une humidité relative entre 60 et 70 %. L'air de refroidissement rapide possédant les conditions spécifiées est soufflé sur les filaments à un débit entre 2000 et 2500 m3/heure.

Dans la présente invention, la viscosité relative (norme ASTM D 789) des filaments en polyamide 46 qui quittent la chambre de refroidissement rapide se situe entre 75 et 80. Après le processus de refroidissement rapide, les filaments sont rassemblés avant de les faire passer à travers les extrémités d'application d'une huile d'ensimage de filature afin d'obtenir des fils multifilamentaires non étirés. L'huile d'ensimage de filature est appliquée sur les fils qui défilent, d'une manière telle que le fil obtenu contient de l'huile d'ensimage de filature à concurrence de 1,0 % à 1,2 % en poids, de préférence de 1,1 %. L'huile d'ensimage de filature que l'on utilise dans la présente invention est un mélange d'un lubrifiant, d'un émulsifiant et d'un antioxydant.

Le fil sur lequel a été appliquée l'huile d'ensimage de filature est ensuite étiré en passant par six paires de cylindres de filage ou de filature et est enroulé sur des tubes en papier via un renvideur automatique pour obtenir en définitive le fil multifilamentaire en polyamide 46 possédant les spécifications qui sont reprises dans le tableau 1. La première paire de cylindres (paire 1) saisit les extrémités du fil non étiré sur lequel a été appliquée l'huile d'ensimage de filature. La deuxième paire de cylindres (paire 2) possède une vitesse de rotation légèrement supérieure à celle de la première paire. La troisième paire de cylindres (paire 3) possède une vitesse de rotation significativement supérieure à celle des deux premières paires et procure l'étirage du premier stade du fil. La quatrième paire de cylindres (paire 4) possède la vitesse de rotation la plus élevée parmi l'ensemble des paires de cylindres et procure l'étirage total du fil que l'on désigne également par l'expression "rapport d'étirage dans le sens machine". La cinquième paire (paire 5) et la sixième paire (paire 6) possèdent des vitesses de rotation légèrement inférieures à celle de la quatrième paire, si bien que l'on induit un relâchement dans le fil avant le renvidage. Après le processus d'étirage, le fil est enroulé avec une vitesse de renvidage d'au moins 3000 m/minute, qui est nécessaire pour la mise en oeuvre d'une production de fil avec un coût de conversion adéquat.

Le rapport d'étirage du premier stade du fil (rapport de vitesse : paire 3/paire 1) dans le procédé expliqué est supérieur à 3,3, tandis que le rapport d'étirage dans le sens machine (rapport de vitesse : paire 4/paire 1) est supérieur à 5. Le fil étiré est relâché à concurrence d'au moins 4 % dans la paire 5 (rapport de vitesse : paire 5/paire 4 inférieur à 0,96) et à concurrence d'au moins 4,2 % dans la paire 6 (rapport de vitesse : paire 6/paire 4 inférieur à 0,958).

Les propriétés d'un fil en polyamide 46 de 1260 deniers conformément à la présente invention sont indiquées dans le tableau 1, le procédé proposé pouvant néanmoins s'appliquer à la production de fils en polyamide 46 possédant un denier entre 315 et 2520.

Des fils en polyamide qui sont conçus pour des applications concernant des renforcements de bandages pneumatiques doivent posséder une valeur tout à fait sûre de ténacité pour permettre aux tissus câblés du bandage pneumatique de supporter les chocs rencontrés sur les routes. En conséquence, la ténacité du fil en polyamide 46 dans la présente invention est supérieure à 8,5 g/denier, de préférence s'élève à 8,9 g/denier, tandis que la valeur d'allongement à la rupture se situe entre 15 et 20 %, et s'élève de préférence à 16,7 %.

Le retrait du fil multifilamentaire en polyamide 46 que l'on obtient conformément à la présente invention s'élève à au moins 6 % (de préférence à 6,5 %), le retrait libre étant caractérisé par la formule (lo-h)/lo x 100 où lo représente la longueur de l'échantillon de fil qui fait l'objet d'un conditionnement à une température de 20 °C et sous une humidité relative de 65 % pendant 4 heures sous une tension de 0,05 g/denier et h représente la longueur du même échantillon sous la même tension après avoir été chauffé dans un four à une température de 180 ± 2 °C pendant 30 minutes à l'état non étiré, avant de le soumettre à conditionnement à 20 °C et sous une humidité relative de 65 % pendant 4 heures. Avec une telle propriété de retrait, la force de retrait du fil s'élève à au moins 0,35, de préférence à 0,37 g/denier.

Tableau 1. Propriétés physiques du fil obtenu en polyamide 46 de 1260 deniers conformément au procédé proposé.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS AMENDEES

   1. Fil multifilamentaire en polyamide 46, caractérisé par le fait qu'il possède une valeur de retrait libre qui est déterminée par la formule (lo-li)/lo x 100 où l0 représente la longueur de l'échantillon de fil qui fait l'objet d'un conditionnement à une température de 20 °C et sous une humidité relative de 65 % pendant 4 heures sous une tension de 0,05 g/denier et h représente la longueur du même échantillon sous la même tension après avoir été chauffé dans un four à une température de 180 ± 2 °C pendant 30 minutes à l'état non étiré, avant de le soumettre à conditionnement à 20 °C et sous une humidité relative de 65 % pendant 4 heures entre 6 et 8 %, une valeur de force de retrait (selon la norme ASTM D 55919) qui est supérieure à 0,35 g/denier et une valeur d’allongement à la rupture (selon la norme ASTM D 885) entre 15 % et 20 %.
2. 2. Fil multifilamentaire en polyamide 46 pour des applications concernant des bandages pneumatiques selon la revendication 1, possédant une ténacité supérieure à 8,5 g/denier.
3. 3. Fil multifilamentaire en polyamide 46 pour des applications concernant des bandages pneumatiques selon la revendication 1, possédant une densité linéaire entre 315 et 2520 deniers.
4. 4. Procédé pour la production d'un fil multifilamentaire en polyamide 46 pour des applications concernant des bandages pneumatiques, comprenant les étapes successives suivantes dans lesquelles : on soumet à un traitement en fusion des granulés de polyamide 46 via une extrudeuse à une seule vis sans fin d'une manière telle que la température de la masse fondue à la sortie de l'extrudeuse représente une température se situant entre 280 et 305 °C ; on transporte la masse fondue de polyamide 46 qui quitte l'extrudeuse via une ligne de transfert aux filières avec un temps de séjour total de la phase en fusion maximal de 5 minutes ; on obtient lesdits filaments en polyamide 46 par extrusion de ladite masse fondue de polyamide 46 à travers des filières ; on refroidit rapidement lesdits filaments en polyamide 46 avec de l'air dans une chambre de refroidissement rapide (1) ; on soumet à un étirage et à un relâchement ledit fil en polyamide 46 via six paires successives de cylindres de filature en passant par l'enroulement du fil sur les cylindres, chaque paire desdits cylindres de filature possédant des vitesses différentes ; on étire les fils dans les quatre premières paires de cylindres de filature ; on relâche les fils dans les deux dernières paires de cylindres de filature ; on renvide lesdits fils étirés en polyamide 46 sur le renvideur automatique (9) avec une vitesse de renvidage d'au moins 3000 m/min.
5. 5. Procédé de production de fils multifilamentaires en polyamide 46 pour des applications concernant des bandages pneumatiques selon la revendication 4, dans lequel le rapport de vitesse de la troisième paire de cylindres de filature (4) à la première paire de cylindres de filature (2) est supérieur à 3,3.
6. 6. Procédé de production de fils multifilamentaires en polyamide 46 pour des applications concernant des bandages pneumatiques selon la revendication 4, dans lequel le rapport de vitesse de la quatrième paire de cylindres de filature (5) à la première paire de cylindres de filature (2) est supérieur à 5.
7. 7. Procédé de production de fils multifilamentaires en polyamide 46 pour des applications concernant des bandages pneumatiques selon la revendication 4, dans lequel la vitesse de la cinquième paire de cylindres de filature (6) est inférieure à concurrence d'au moins 4 % à la vitesse de la quatrième paire de cylindres de filature (5).
8. 8. Procédé de production de fils multifilamentaires en polyamide 46 pour des applications concernant des bandages pneumatiques selon la revendication 4, dans lequel la vitesse de la sixième paire de cylindres de filature (7) est inférieure à concurrence d'au moins 4,20 % à la vitesse de la quatrième paire de cylindres de filature (5).
9. 9. Fil multifilamentaire en polyamide 46 pour des applications concernant des nappes de sommet pour des bandages pneumatiques, obtenu via le procédé selon les revendications 4 à 9 et possède une valeur de retrait libre qui est déterminée par la formule (lo-li)/lo x 100 où l0 représente la longueur de l'échantillon de fil qui fait l'objet d'un conditionnement à une température de 20 °C et sous une humidité relative de 65 % pendant 4 heures sous une tension de 0,05 g/denier et h représente la longueur du même échantillon sous la même tension après avoir été chauffé dans un four à une température de 180 + 2 °C pendant 30 minutes à l'état non étiré, avant de le soumettre à conditionnement à 20 °C et sous une humidité relative de 65 % pendant 4 heures entre 6 et 8 %, une valeur de force de retrait (selon la norme ASTM D 55919) qui est supérieure à 0,35 g/denier et une valeur d'allongement à la rupture (selon la norme ASTM D885) entre 15% et 20%.