FR2462991A1 - Dispositif de melange et de refroidissement pour l'extrusion de mousses thermoplastiques - Google Patents

Abstract

L'INVENTION SE RAPPORTE A LA FABRICATION D'ARTICLES EXTRUDES TELS QUE DES FEUILLES OU DES CUBES EN MOUSSE THERMOPLASTIQUE SYNTHETIQUE PAR EXEMPLE DU POLYSTYRENE, DU POLYETHYLENE OU DU POLYPROPYLENE. LE DISPOSITIF COMPREND UNE PAIRE DE BLOCS CYLINDRIQUES TUBULAIRES PERFORES RADIALEMENT 26, 28, SERRES AXIALEMENT CONTRE LES FACES OPPOSEES D'UN DISQUE DE BARRAGE 24 AU MOYEN D'UN PLATEAU 34 POUR SA LIAISON AVEC LE CORPS DE L'EXTRUDEUSE ET D'UN PLATEAU 36 POUR SA LIAISON AVEC LA TETE D'EXTRUSION, CE DISQUE AYANT UNE OUVERTURE CIRCULAIRE AXIALE; UNE VIS D'AVANCEMENT 20 POUVANT TOURNER DE FACON ETANCHE A L'INTERIEUR DES BLOCS, POUVANT ETRE LIEE A UNE VIS DE L'EXTRUDEUSE POUR FORMER UN PROLONGEMENT DE CETTE DERNIERE VIS, LADITE VIS D'AVANCEMENT AYANT UNE PARTIE DE BARRAGE INTERMEDIAIRE 20, POUVANT TOURNER DE FACON ETANCHE DANS L'OUVERTURE 22 DU DISQUE 24.

Description

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La présente invention se rapporte à la fabri-

cation d'articles extrudés tels que des feuilles ou des cubes en mousse thermoplastique synthétique par exemple

du polystyrène, du polyéthylène ou du polypropylène.

Conformément à la teçhnique courante une résine thermoplastique est fondue en continu sous pression dans le corps d'une extrudeuse ayant une ou-deux vis et se terminant par une tête d'extrusion ayant une ouverture d'extrusion étroite qui est plate dans le cas des feuilles ou circulaire dans le cas des tubes. Dans une partie intermédiaire du corps de l'extrudeuse on injecte en continu dans la résine fondue un agent gonflant volatil;' habituellement à l'état liquide, par exemple un gaz disponible sur la marché sous le nom commercial de "fréon" ou du pentane, et l'extrudeuse est prévue de façon à dissoudre l'agent gonflant aussi

uniformément que possible au sein de la résine fondue.

De façon avantageuse la résine peut contenir des agents de nucléation convenables, tels que par exemple du talc, de l'acide citrique et du bicarbonate de sodium sous forme de très fines particules dispersées uniformément au sein de la résine fondue. Sur son trajet vers la fente de l'extrudeuse la matière fondue est soumise à

une pression élevée nécessaire pour éviter la volatili-

sation de l'agent gonflant. En sortant de l'ouverture d'extrusion la matière est l'objet d'une décomposition à la pression atmosphérique de sorte que l'agent gonflant se sépare dans le corps de la matière sous forme

de bulles qui donnent naissance à la mousse recherchée.

On sait que la qualité de la mousse ainsi

obtenue dépend fortement de la température d'extrusion.

Si la température d'extrusion est trop élevée, la mousse s'affaisse et n'est pas uniforme, sa densité est trop

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élevée par rapport à la valeur qui peut être obtenue

théoriquement et sa résistance mécanique est faible.

Suivant un principe général, plus le pourcentage de l'agent gonflant dans la matière fondue est élevé, plus la température d'extrusion doit être basse car autrement la viscosité de la résine qui vient d'être extrudée est insuffisante pour s'opposer à la pression

dextructrice du gaz qui est libéré au sein de la résine.

Comme pour obtenir des mousses de faible densité infé-

rieures à 0,1 g/ml, il est nécessaire d'utiliser des pourcentages notables d'agent gonflant, le problème de l'abaissement de la température d'extrusion revêt

une grande importance. Jusqu'à présent le refroidisse-

ment de la tête d'extrusion s'est montré insuffisant pour obtenir le résultat souhaité surtout à cause du fait que la structure cellulaire de la. mousse ainsi obtenue est brute et loin d'être uniforme. Jusqu'à maintenant le moyen le plus utilisé pour obtenir une structure uniforme est le refroidissement de la dernière partie du corps de l'extrudeuse. Par exemple dans le brevet italien 831 699 qui correspond au brevet britannique

1 231 535 et au brevet français 1.600 010 de la Demande-

resse on décrit une extrudeuse de mousse thermoplastique comprenant au moins un injecteur d'agent gonflant dans une région intermédiaire du corps de l'extrudeuse contenant la matière fondue, cette région étant suivie d'une première zone de refroidissement contenant une enveloppe à circulation d'eau, et d'une seconde zone à refroidissement final comprenant un serpentin de réfrigération alimenté par un système adéquat. Toutefois, même avec un refroidissement aussi intense il est impossible d'abaisser la température de la matière fondue à la valeur nécessaire à l'obtention du résultat optimal. En fait, au fur et à mesure de la progression de la matière dans la zone de refroidissement, sa

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viscosité s'accroit et de ce fait la chaleur de frotte-

ment due à l'action de la vis ou des vis s'accroit également. Il se produit alors un état stationnaire dans lequel la température de la matière ne décroît plus alors qu'elle est très loin de la valeur faible désirée pour l'extrusion. Il est possible de remédier

partiellement à cet inconvénient en réduisant conve-

nablement la vitesse de rotation des vis; cet artifice

toutefois diminue également le rendement de l'extrudeuse.

Un autre moyen consiste à effectuer le refroidissement dans une autre extrudeuse dans laquelle la première extrudeuse conduit la matière fondue à température élevée et dans laquelle la vis ou les vis tournent à faible vitesse. La qualité de la mousse obtenue de cette façon est acceptable. Toutefois, le coût du fonctionnement de la seconde extrudeuse est seulement rarement inférieur à celui de la première extrudeuse mis

à part les frais élevés d'investissement.

Le but principal de cette invention est

l'élimination des inconvénients mentionnés ci-dessus.

En particulier, l'un des buts de la présente invention est de fournir un système de refroidissement pour la matière fondue, contenant l'agent gonflant, dans lequel l'écoulement de la matière est soumis à un minimum de frottement nonobstant son accroissement de viscosité,

de façon à diminuer l'importance de la chaleur de -

frottement; et dans lequel on obtient en même temps une homogénéisation satisfaisante de la matière soumise au refroidissement de telle sorte qu'au moment de l'extrusion la matière a la température basse souhaitée de façon homogène. Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif compact et simple de prix de revient peu élevé et de fonctionnement économique

pouvant permettre d!atteindre le but indiqué.

L'invention a encore pour but de fournir ledit dispositif

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sous une forme facilement utilisable sur une extru-

deuse de type couramment utilisé pour la fabrication de mousse thermoplastique synthétique. Conformément à ce qui vient d'être exposé cidessus, l'invention a pour objet un dispositif de mélange et de refroidissement pour l'extrusion de mousses thermoplastiques caractérisé en ce qu'il comprend une paire de blocs cylindriques tubulaires perforés radialement, serrés

axialement contre les faces opposées d'un disque de-

barrage au moyen d'un plateau pour sa liaison avec le corps de l'extrudeuse et d'un plateau pour sa liaison avec la tête d'extrusion, ce disque ayant une

ouverture circulaire axiale; une vis d'avancement pou-

vant tourner de façon étanche à l'intérieur des blocs, pouvant être liée à une vis de l'extrudeuse pour former un prolongement de cette dernière vis, ladite vis d'avancement ayant une partie de barrage intermédiaire pouvant tourner de façon étanche dans l'ouverture du disque; une enceinte tubulaire reliée de façon étanche aux deux plateaux en formant un canal collecteur tubulaire entourant de l'extérieur les zones perforées des deux blocs; et un-agencement de passages dans les plateaux, les blocs et le disque pour la circulation

d'un liquide réfrigérant pour les deux blocs.

D'autres avantages et caractéristiques de

l'invention ressortiront d'ailleurs de la description

qui suit donnée en référence aux dessin-s annexés à titre non limitatif dans lesquels: la fig. 1 est une vue latérale d'une extrudeuse pour mousse thermoplastique équipée d'un dispositif conforme à l'invention; - la fig. 2 est une couper axiale de la zone

de raccordement du dispositif sur le corps de l'extru-

deuse; la fig. 2A est une vue en coupe axiale du dispositif conforme à l'invention;

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la fig. 2B représente schématiquement une tête d'extrusion alimentée par le dispositif de la fig. 2A; la fig. 3 est une coupe transversale selon la ligne III-III de la fig. 2A. Sur la fig. 1 la référence 10 représente

une extrudeuse qui peut avoir une ou plusieurs vis.

Dans le cas servant d'exemple ici l'extrudeuse comporte deux vis portant les références 12 et 14 sur la fig. 2 tournant ensemble et s'interpénétrant. Dans une partie intermédiaire du corps 16 de l'extrudeuse débouche un dispositif d'injection 13 d'agent gonflant. La vis 14 se termine de façon habituelle par une pointe conique 14' (fig. 2), et l'extrémité libre de la vis 12 est vissée à l'intérieur de la vis d'avancement du dispositif 21 conforme à l'invention au moyen d'une tige filetée '. La vis 20 est une vis à double filet et son pas est relativement long pour entraîner l'écoulement complet de la matière arrivant par les deux vis 12, 14 de l'extrudeuse. Le pas et le diamètre de la vis 20

demeurent constants sur toute sa longueur.

Comme on peut le voir sur la fig. 2A une partie intermédiaire courte 20" de la vis 20 n'est pas filetée et cette partie peut tourner de façon étanche dans l'ouverture axiale correspondante 22 d'un disque circulaire 24 en formant un barrage au passage direct

de la matière le long de la vis au-delà du disque 24.

Cette partie 20" délimite qur la vis 20 une partie d'alimentation 20A située enamont, et une partie de

transfert 20E située en aval de ladite partie 20".

Si l'on veut la partie de barrage 20" peut avoir un filet inverse de celui de la vis ou avoir n'importe quelle configuration lui permettant d'empêcher au moins

en majeure partie le passage direct de la matière.

Sur les faces opposées du disque 24 sont

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appliqués axialement deux blocs 26, 28 cylindriques, tubulaires en matière métallique bonne conductrice de la chaleur, par exemple en aluminium, dans lesquels peuvent tourner de façon étanche les parties respectives 20A, 20B de la vis 20. L'ensemble des blocs et du disque est entouré d'une enceinte tubulaire 30 formant autour de cet ensemble un canal collecteur tubulaire 32 coaxial à la vis 20. Les blocs 20, 28 sont serrés contre le disque 24 par les plateaux circulaires à ouverture centrale 34, 36 au moyen de boulons 38 vissés

dans l'enceinte au travers des plateaux.

Chaque plateau 34, 36 comporte un moyeu tubulaire respectivement 34A, 36A tourné vers l'extérieur et se terminant respectivement par une bride de raccordement 34B, 36B. Le raccordement du dispositif conforme à l'invention au corps 16 de l'extrudeuse 10 est représenté sur la fig. 2. Dans cette fig. 2 la référence 38 sert à désigner un adaptateur bridé à ses deux extrémités et verrouillé sur l'extrémité libre du corps 16 de l'extrudeuse par deux demi-colliers de serrage 40, 40'. D'une manière analogue, la bride 34B est verrouillée sur l'adaptateur par deux demicolliers 42, 42'. Comme cela ressort de la fig. 2 le rôle de l'adaptateur est de recueillir Vàcoulement de matière en provenance de la vis 14 et d'acheminer l'écoulement en provenance de la vis 12 de telle façon que l'écoulement total qui en résulte soit entraîné par la vis d'avancement 20 constituant un

prolongement de la vis 12. Le moyeu 34A est intérieu-

rement un cylindre circulaire qui a le même diamètre

interne que les blocs 26, 28 et le disque 24 c'est-à-

dire que son diamètre est pratiquement égal au diamètre

externe de la vis d'avancement 20.

La partie 20B (fig. 2A) de la vis 20 pénètre sur une courte distance dans le moyeu 36A du plateau 36 et

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dans cette région le moyeu 36A a le même diamètre interne que le bloc 28. Sur la bride 36E des moyeux 36A est fixée par les demi-colliers de serrage 44, 44', l'extrémité d'arrivée 46A d'une tête d'extrusion 46 (fig. 2B) se terminant par une buse d'extrusion 46E de section souhaitée (circulaire, annulaire, plate, fendue...). Une sonde de température 48 pénètre dans la tête 46 pour contrôler la température d'extrusion et une sonde semblable non représentée est prévue dans l'adaptateur 38'pour contrôler la température de la matière à l'arrivée du dispositif 21 conforme à l'invention. Les deux blocs 26, 28 sont de préférence identiques entre eux et montés en opposition sur le disque 24 (fig. 2A). Chacun d'eux comporte un grand nombre de trous radiaux 50 répartis de préférence dans plusieurs anneaux circulaire se suivant l'un l'autre axialement. On peut voir l'un de ces anneaux

sur la fig. 3. Par souci de clarté l'anneau repré-

senté sur la fig. 3 comprend seulement douze trous 50 espacés les uns des autres mais en pratique il convient d'avoir une répartition plus dense, par exemple de 34 trous par anneau dans le cas d'une vis 20 ayant un diamètre de 120 mm. Il est avantageux que la surface totale occupée transversalement par les trous dans chaque bloc atteigne au moins 50 % de la surface cylindrique interne du bloc. En outre, on préfère que

les trous 50 aient tous le même diamètre.

Chaque bloc 26 et 28 est traversé axialement par plusieurs trous 52 qui peuvent être répartis

uniformément entre les trous 50 comme on peut le voir-

sur la fig. 3. Avec ces trous longitudinaux 52 sont alignés des trous correspondants 54 dans le disque 24 et d'autres trous 56 dans les plateaux 34, 36. Un collier respectivement 58 et 60 de profil en C est

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boulonné de façon étanche sur la face externe de chaque plateau, ce collier formant avec ladite face une chambre annulaire 62 communiquant avec les trous 56 du plateau. Chaque collier présente une ouverture filetée 64, 66, destinée à être fixée-sur un circuit de liquide de refroidissement non représenté par exemple un

circuit d'huile de telle sorte qu'au cours du fonction-

nement les blocs 26, 28 peuvent être maintenus à une température convenable alors que la matière sollicitée par la partie d'alimentation 20A de la vis 20, s'écoule

d'abord dans les trous 50 du bloc 26 sous forme d'écou-

lements radiaux étroits individuels qui sont refroidis individuellement par le bloc. Ces écoulements radiaux individuels se réunissent et se mélangent entre eux dans le canal collecteur 32 en formant un écoulement

annulaire simple dirigé axialement vers le bloc 28.

La matière est alors à nouveau subdivisée en écoulements radiaux individuels qui traversent le trou 50 du bloc 20 et qui sont à nouveau refroidis individuellement. A la sortie du bloc 28 ces écoulements se réunissent- encore et se mélangent entre eux d'une manière très efficace d'autant plus que la surface interne du bloc 28 est "balayée" en continu par les filets de la partie 20B de la vis 20. Ceci se traduit par une homogénéisation très complète et la substance ainsi homogénéisée est

conduite par la partie 20E vers la tête d'extrusion 46.

La vitesse de circulation du liquide de refroidessement est réglée en fonction de la température mesurée par la sonde 48. Si la température est trop élevée, la

circulation est augmentée et vice-versa.

Pour obtenir les meilleurs résultats il

convient d'observer certainesconditionsde détail.

En premier lieu quel que soit le nombre de trous radiaux 50 dans chaque bloc 26, 28 le diamètre des trous ne doit pas être inférieur à 3 mm, autrement

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il existe un risque de chute de pression qui peut être intolérable. En général et suivant la capacité de l'extrudeuse, le diamètre des trous 50 doit être choisi dans la gamme de 3 mm(pour des débits de 40 à 50 kg/h en matière traitée) et 10 mm (pour des

débits de l'ordre de 250kg/h).

En outre, le rapport existant entre la longueur

et le diamètre des trous 50 est également important.

Il est préférable que ce rapport (l/d) ne dépasse pas environ 12 et qu'il nesoitpasinférieur à 4. Le tableau suivant peut servir de guide: Diamètre de trou l/d l/d (mm) préféré

3 4 à 7 5 à 6

6 à 10 7 à 9

6 7 à 11 8 à 10

a 7 à 12 a à 10 7 à 12 èà l En outre, conformément à l'invention il convient de prendre en considération le rapport entre-la surface totale des trous dans chaque bloc et la "surface de piston" de la vis 20, l'expression "surface de piston" désignant la différence 1TR 2 lTr2 dans laquelle R est le rayon du filet de la vis 20 et r est le rayon du corps de la vis. Ce rapport de préférence doit être

supérieur à 1 et inférieur à 2, autrement le refroidisse-

ment s'effectue mal et la chutede pression dans le

dispositif s'accroit.

L'effet d'homogénéisation du dispositif conforme à l'invention s'accroît de toute évidence avec l'accroissement du nombre des trous 50 dans chaque bloc. Toutefois, cet effet dépend aussi d'ure manière non négligeable de la forme et de la largeur

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radiale du canal collecteur 32. Avec une largeur radiale excessive les écoulements radiaux individuels sortant du bloc 26 se rejoignent entre eux avec peu

d'interférence et par suite en se mélangeant faiblement.

En limitant convenablement la largeur radiale du canal

collecteur 32 l'intensité d'écoulement du canal axiale-

ment est accrue et les conditions d'interférence entre cet écoulement et les écoulements radiaux individuels

quittant le bloc 26 peuvent être ainsi créés artificiel-

lement ce qui améliore l'homogénéisation. De préférence, - en supposant que le diamètre externe des blocs 26, 28 et du disque 24 est constant (fig. 2A), la largeur radiale du canal collecteur 32 s'accroît depuis chacune des extrémités vers la zone cylindrique centrale 321 entourant le disque 24. Il est préférable encore que ladite largeur à chaque extrémité du canal soit comprise entre une et une fois et demie le diamètre

des trous radiaux 50 appartenant à cette extrémité.

Enfin, et de préférence la zone du canal en coupe transversale dans la zone cylindrique 32' est comprise entre 0,9 et 1,5 fois la surface totale des trous 50

dans chaque bloc 26, 28. Dans ces conditions, l'écoule-

ment axial de la matière dans le canal collecteur 32 est influencé seulement dans une certaine mesure par l'interférence de la turbulence locale au niveau de chacun des trous radiaux 50, de sorte que les exigences connraires de bonne homogénéisation et de chute faible de pression sont observées de façon satisfaisante. Il faut noter que par l'expression "chute de pression faible" on indique une diminution de frottement ayant pour conséquence une diminution de la chaleur de frottement

qui est tout à l'avantage de l'efficacité du refroidis-

sement et de l'homogénéisation du dispositif conforme

à l'invention.

Par exemple, avec une vis 50 ayant un diamètre

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de 120 mm (diamètre du corps 80 mm) on peut suggérer les proportions suivantes: Blocs26, 28: longueur environ 130 mm; diamètre externe 260 mm; trous radiaux 50 de 7 mm de diamètre répartis dans 14 anneaux ayant chacun 34 trous. Ceci se traduit par un rapport l/d = 10; surface de trou totale = 18 326 mm 2; surface de piston = 5 500 mm 2

rapport entre les deux surfaces = 3,33.

Canal collecteur: largeur radiale à chaque extrémité = 10 mm; surface transversale dans la zone cylindrique 32' = 17 600 mm 2; le rapport entre cette surface et la surface totale des trous dans chaque bloc = 0,96.

L'épaisseur du disque 24 est égale à 50 mm.

Avec ces proportions le dispositif 21 peut être appliqué sur l'extrudeuse RC 41/E à vis jumellesde la demanderesse pour produire 180 à 220 kg/h de mousse de polystyrène avec une vitesse de vis de 8,5 à 28 révolutions/mn. Dans les essais effectués jusqu'à présent, le dispositif conforme à l'invention (refroidi à l'huile à 90'C) permet le refroidissement homogène de 220 kg/h de matière d'environ 140'C à environ 118aC pour produire une mousse de densité uniforme dans la

gamme comprise entre 0,029 et 0,030 g/ml.

Il est évident que cette invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus. En particulier-, il peut être satisfaisant de faire que le

diamètre du corps de la vis 20 s'accroisse progressive-

ment dans les parties 20A et 20B vers la partie non filetée 20" sur toute la longueur des blocs perforés respectifs 26, 28 ou sur une partie de cette longueur. La répartition et/ou le diamètre des trous radiaux 50 peut être variable bien qu'une répartition et qu'un diamètre uniformes soient préférés du simple point de vue de la

construction. L'enceinte 30 peut 9tre équipée extérieu-

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rement d'ailettes de refroidissement pour accroître la répartition de la chaleur de la matière s'écoulant dans le canal collecteur 32. Toutefois il n'apparaît pas recommandé de compter sur l'enceinte 30 pour le refroidissement de la matière puisque un tel refroidis- sement entraîne le risque de formation d'une "peau froide" -sur l'écoulement dans le canal 32. Encore une fois le diamètre de la partie 20" de la vis 20 et le diamètre du trou 22 du disque 24 peuvent être diminués par exemple à la valeur du diamètre du corps de la vis ; toutefois, on préfère la forme représentée sur la fig. 2A car elle permet un démontage facile de la vis

sans avoir à démonter l'ensemble.

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Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de mélange et de refroidissement pour l'extrusion de mousses thermoplastiques caractérisé en ce qu'il comprend une paire de blocs cylindriques tubulaires perforés radialement (26, 28), serrés axialement contre les faces opposées d'un disque de barrage (24) au moyen d'un plateau (34) pour sa liaison avec le corps (16) de l'extrudeuse et d'un plateau (36) pour sa liaison avec la tête d'extrusion (46), ce disque ayant une ouverture circulaire axiale; une vis d'avancement (20) pouvant tourner de façon étanche à l'intérieur des blocs, pouvant être liée à une vis (12) de l'extrudeuse (10) pour former un prolongement de cette dernière vis, ladite vis d'avancement ayant une partie de barrage intermédiaire (20,'i pouvant tourner de façon étanche dans l'ouverture (22) du disque (24); une enceinte tubulaire (30) reliée de façon étanche aux deux plateaux en formant un canal collecteur tubulaire (32) entourant de l'extérieur les zones perforées des deux blocs; et un agencement de passages (52,54) dans les plateaux, les blocs et le disque pour la circulation d'un

liquide réfrigérant pour les deux blocs.

2. Dispositif selon la revendication t caracté-

risé en ce que la surface totale des trous radiaux 50 dans chaque bloc est égale environ à 50 % de la surface cylindrique du bloc et est supérieure à la surface du

piston de la vis.

3. Dispositif salon la revendication 2 caracté-

risé en ce que la surface totale est égale à au moins

deux fois la surface du piston.

4. Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1 et 3, caractérisé en ce que le diamètre

des trous radiaux 50 est compris entre 3 et 10 mm et le rapport longueur/diamètre des trous est compris entre

4 et 12.

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5. Dispositif selon l'une quelconque des

revendications précédentes caractérisé en ce que la

largeur radiale du canal collecteur 32 s'accroît de chaque extrémité du canal vers une zone cylindrique centrale entourant le disque.

6. Dispositif selon la revendication 5, caracté-

risé en ce que la largeur à chaque extrémité du canal est comprise entre une fois et une fois et demie le diamètre des trous radiaux qui débouchent à cette

extrémité.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendi-

cations 5 et 6 caractérisé en ce que la surface du canal en coupe transversale dans la zone cylindrique centrale est comprise entre 0,9 et 1,5 fois la surface totale des

trous de chaque bloc.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendi-

cations précédentes caractérisé en ce que mis à part la partie de barrière, le pas et le diamètre de la vis

d'avancement sont constants.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 7 caractérisé en ce que le diamètre du corps de la vis d'avancement augmente vers la partie de barrage.

10. Dispositif selon l'une quelconque des reven-.

dications précédentes caractérisé en ce que la partie de barrage est une partie cylindrique non filetée pouvant tourner de façon étanche dans l'ouverture du disque.