METHOD FOR INCREASING THERMAL CONVECTION SPEED IN A THERMOFUSIBLE POLYMER

PROCEDE POUR AUGMENTER LA VITESSE DE CONVECTION THERMIQUE DANS UN POLYMERE THERMOFUSIBLE

Abrégé français

Le procédé pour augmenter la vitesse de convection thermique dans un polymère
thermofusible, notamment un polyéthylène téréphtalate, permet d'augmenter la
vitesse de transmission de la chaleur par convection thermique dans ce
polymère, en l'exposant simultanément à au moins une source de rayonnement
thermique et à des vibrations ultrasoniques. Les vibrations ultrasoniques sont
appliquées de préférence par intermittence sur une surface du polymère au
moyen d'une sonotrode alimentée par un générateur d'ultrasons, soit
directement, soit par l'intermédiaire d'un liquide en contact avec le
polymère. On peut ainsi améliorer les caractéristiques physiques du polymère
et faire varier la vitesse de transmission de la chaleur en fonction de sa
forme, de sa masse et de sa nature.

Abrégé anglais

The invention concerns a method for increasing thermal convection speed in a thermofusible polymer, in particular a polyethylene terephthalate, enabling to increase the speed of heat transmission by thermal convection in said polymer, by exposing it simultaneously to at least a thermal radiation source and ultrasonic vibrations. The ultrasonic vibrations are preferably applied intermittently on a surface of the polymer by means of a sonotrode supplied by an ultrasound generator, either directly, or via a liquid in contact with the polymer. Thus the physical characteristics of the polymer can be improved and the heat transmission speed can be varied depending on its form, mass and type.

Revendications

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REVENDICATIONS
1. Procédé pour augmenter la vitesse de transmission de la chaleur par
convection thermique dans un polymère thermofusible, caractérisé en ce que
l'on expose ledit polymère simultanément à au moins une source de
rayonnement thermique et à des vibrations ultrasoniques, et en ce que l'on
transmet lesdites vibrations ultrasoniques audit polymère thermofusible en
appliquant directement sur une surface dudit polymère au moins une
sonotrode alimentée par un générateur d'ultrasons.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on expose
une surface dudit polymère à une première source de rayonnement thermique
et la surface opposée dudit polymère à une seconde source de rayonnement
thermique.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on transmet
lesdites vibrations ultrasoniques audit polymère thermofusible en mettant au
moins une sonotrode en contact avec un liquide intermédiaire qui est en
contact avec une surface dudit polymère.
4. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdites
sources de rayonnement thermique ont une température comprise entre
100°
et 500°C.
5. Procédé selon ta revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence
des vibrations ultrasoniques transmises est comprise entre 15 et 60 kHz.
6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le polymère
thermofusible est un polyéthylène téréphtalate, caractérisé en ce que le temps
d'exposition à la source de rayonnement thermique est compris entre 1 et 10
secondes et de préférence approximativement égal à 3 secondes.

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7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on applique
les vibrations ultrasoniques par intermittence.

Description

CA 02341600 2001-02-28
WO 00/12279 PCT/CH99/00405
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PROCEDE POUR AUGMENTER LA VITESSE DE CONVECTION
THERMIQUE DANS UN POLYMERE THERMOFUSIBLE
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé pour augmenter la vitesse de
transmission de la chaleur par convection thermique dans un polymère
thermofusible.
Technique antérieure
Le chauffage des polymères constitue une phase préparatoire préliminaire au
traitement des polymères par thermoformage ou par soufflage. II s'effectue
habituellement par exposition des polymères à une source de rayonnement
thermique extérieure. La montée en température de la masse de polymère
s'effectue progressivement par convection selon une pente inclinée
descendante. Au début de l'exposition du polymère à la source de
rayonnement thermique, la température de la zone proche de la source est
plus élevée que celle de la zone éloignée. Progressivement, la différence de
température entre la zone proche et la zone éloignée s'atténue. La
transmission de la chaleur se fait par convection pendant un temps plus ou
moins long qui dépend notamment de la température de la source et de
l'épaisseur de la matière.
La durée de montée en température du polymère sur toute son épaisseur
conditionne le processus de mise en forme de la matière. Une réduction de
cette durée améliore la rentabilité de la production.
Exposé de l'invention
La présente invention se propose donc de réduire cette durée de
l'échauffement par convection d'une masse de polymère thermofusible.
Ce but est atteint par le procédé tel que défini en préambule et caractérisé
en

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ce que fon expose ledit polymère simultanément à au moins une source de
rayonnement thermique et à des vibrations ultrasoniques, et en ce que l'on
transmet lesdites vibrations ultrasoniques audit polymère thermofusible en
appliquant directement sur une surface dudit polymère au moins une-
S sonotrode alimentée par un générateur d'ultrasons.
Outre l'augmentation de la vitesse de transmission de la chaleur à travers la
paroi du polymère, l'application de vibrations ultrasoniques et l'exposition
simultanée à une source de rayonnement thermique ont pour conséquence
une réorganisation des molécules du polymère en favorisant leur orientation
dans une direction déterminée.
Selon une première variante de réalisation, l'on expose une surface dudit
polymère à une première source de rayonnement thermique et la surface
1S opposée dudit polymère à une seconde source de rayonnement thermique.
De ce fait, on peut moduler le différentiel de température entre les deux
surfaces opposées du polymère exposées aux deux sources de rayonnement
thermique. On peut ainsi améliorer les caractéristiques physiques du polymère
et faire varier la vitesse de transmission de la chaleur en fonction de la
forme,
de la masse et de la nature de ce polymère.
De préférence, l'on transmet lesdites vibrations ultrasoniques audit polymère
thermofusible en mettant au moins une sonotrode en contact avec un liquide
2S intermédiaire qui est en contact avec une surface dudit polymère.
De préférence, lesdites sources de rayonnement thermique ont une
température comprise entre 100° et 500°C et la fréquence des
vibrations
ultrasoniques est comprise entre 15 et 60 kHz.
De façon avantageuse, le temps d'exposition à la source de rayonnement

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thermique est compris entre 1 et 10 secondes et de préférence
approximativement égal à 3 secondes.
Selon une manière de procéder particulièrement intéressante, l'on applique-
les vibrations ultrasoniques de manière intermittente.
Cette variante permet également de moduler la vitesse de transmission de la
chaleur dans le polymère.
La présente invention sera mieux comprise à la description d'une forme de
mise en oeuvre préférée, mais non limitative, du procédé et ses variantes.
Manières de réaliser l'invention
Lorsque fon expose une masse de matière synthétique, et en particulier un
objet réalisé en un polymère thermofusible, à une source de rayonnement
thermique, la montée en température de la masse est progressive et l'on
observe, à l'intérieur de ladite masse, un gradient de température défini par
une courbe sensiblement linéaire dont la pente est négative. L'application
simultanée de vibrations ultrasoniques a pour effet soit de réduire la pente
de
la courbe, soit de l'annuler, soit de l'inverser.
Dans la pratique, ceci se traduit par une augmentation de la vitesse de
transmission de la chaleur à travers la masse de oolvmère. cette
augmentation pouvant ëtre telle que la paroi de l'objet éloignée de la source
de rayonnement thermique atteint, au bout d'un laps de temps extrêmement
court, une température supérieure à celle de la paroi la plus proche.
Pour atteindre ce but, l'on expose le polymère thermofusible simultanément à
au moins une source de rayonnement thermique et à des vibrations
ultrasoniques. Pour transmettre ces vibrations au polymère on peut appliquer
directement sur une de ses surfaces une sonotrode alimentée par un

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générateur d'ultrasons.
Différentes autres variantes de réalisation du procédé peuvent être mises en
eeuvre. L'une de ses variantes consiste à exposer une surface du polymère à,
une première source de rayonnement thermique, la surface opposée à une
seconde source de rayonnement thermique et d'appliquer simultanément des
vibrations ultrasoniques.
L'on peut également transmettre les vibrations ultrasoniques indirectement au
polymère en mettant la sonotrode en contact avec un liquide intermédiaire qui
est en contact avec une surface de ce polymère.
Dans toutes les variantes, les sources de rayonnement ont une température
comprise entre 100° et 500° C et la fréquence des vibrations
ultrasoniques
transmises est comprise entre 15 et 60 kHZ.
On a constaté que pour des produits réalisés en un polymère thermofusible tel
que du polyéthylène téréphtalate (PET) ayant quelques millimètres
d'épaisseur, 1e temps de l'exposition à une source de rayonnement thermique,
nécessaire pour les rendre suffisamment propres à un traitement de
thermoformage, est compris entre 1 et 10 secondes et de préférence voisin de
3 secondes.
Par ailleurs ce polyéthylène téréphtalate ne subit aucune cristallisation à
une
température égale ou supérieure à la température de transition vitreuse qui
est généralement supérieure à 70°C.
Enfin on constate que la structure devient anisotrope et que les chaïnes
moléculaires des polymères thermofusibles s'orientent dans une direction
préférentielle parallèle à l'axe de propagation des vibrations ultrasoniques.
Ces phénomènes empêchent (arrêt de la propagation des ultrasons dans la

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matière dès que la transition vitreuse est atteinte.
On améliore encore ces résultats en appliquant les vibrations ultrasoniques de
façon intermittente. La direction de Taxe de propagation des vibrations-
5 ultrasoniques est choisie en fonction de la géométrie des objets à
thermoformer. S'il s'agit d'objets allongés, on applique de préférence les
ultrasons selon une direction qui correspond à la plus grande longueur de ces
objets. L'alignement des chaînes moléculaires s'effectue selon cette direction
et favorise la propagation des vibrations ultrasoniques.