Plaque matrice pour la pelletisation de plastiques

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1 Plaque matrice pour la pelletisation de plastiques Canaux chauffants intérieurs et surface coupante en métal dur Drs. Ing. J. D Düring et Ing. R. J. Jochems, Groep B.V. Intro La polymérisation de l'éthylène et du propylène produit du polyéthylène (PE), respectivement et du polypropylène (PP) sous forme de poudre. Cette poudre est transformée en granulés ou pellets au moyen d'une extrudeuse munie d une plaque matrice. John Düring et Roel Jochems ont écrit un article sur les derniers développements dans le domaine des plaques matrice. Celles-ci sont essentielles pour la qualité des pellets. La pelletisation en tant qu étape cruciale Dans le traitement de la poudre qui est polymérisée, celle-ci est tout d'abord fondue et homogénéisé dans une extrudeuse [1]. Ensuite, le plastique visqueux fondu est passé à travers une plaque métallique perforée ou plaque matrice (figure 1). Les coupeurs rotatifs coupent les brins émergents (semblable à des spaghettis) en granulés ou pellets, à la taille souhaitée avec une certaine distribution au niveau de la taille. Dans les grandes lignes de production de PE et de PP, ceci est réalisé sous l'eau afin de refroidir et de transporter les granulés. Pour les lignes de production plus petites et pour les autres plastiques, différentes méthodes ont été développées à côté de la pelletisation submergée, telle que la pelletisation de brins, dans laquelle les brins sont d'abord transportés via un récipient rempli d eau afin de les refroidir avant leur transformation en pellets. Parmi les nombreuses méthodes de pelletisation qui ont été développées au fil des années [2], cet article se concentre sur le traitement du PE et du PP dans des grandes extrudeuses et unités de compoundage. Figure 1: plaque matrice (Kobelco) Bien que l'investissement dans une machine à pelletisation soit relativement peu élevé par rapport à l'investissement total dans une ligne de production complète, la pelletisation est une étape cruciale du processus. Dans les canaux de sortie de la plaque matrice, la matière fondue se transforme de l état liquide à l état solide en moins de quelques centimètres. Souvent, le noyau n'a même pas encore été solidifié, car cette solidification du plastique à 1

2 l'extérieur agit en tant que très bon isolant thermique. Dans cet état, les brins sont coupés par des coupeurs rotatifs pressés contre la surface de la plaque matrice. Les coupeurs et les bords des trous de la plaque matrice fonctionnent comme une paire de ciseaux. Du point de vue de la qualité, des pellets uniformes avec une distribution de taille étroite sont souhaitables, mais dans ces circonstances, ceci est difficile à réaliser. Cela a mené à des développements rendant le processus pelletisation moins critique, telle que l'amélioration du contrôle de la température et l'optimisation de la surface coupante de la plaque matrice. Contrôle de température Dans la pelletisation submergée, le côté eau de la plaque matrice est à une température bien inférieure à la température de solidification du plastique. En raison de l'inévitable transfert de chaleur, la température de la plaque est relativement peu élevée à cet endroit. Par conséquent, la matière fondue a tendance à se solidifier et à boucher les ouvertures de la plaque matrice. Ceci ne peut pas être empêché en augmentant simplement la température car cela provoquerait une dégradation du plastique, ce qui est indésirable également. Le plastique fondu est maintenu à température aussi près des ouvertures de sortie que possible, grâce à un chauffage externe à huile thermique ou à vapeur. Ce chauffage doit être réalisé de la manière la plus uniforme possible afin d'éviter des modifications locales de la viscosité et donc une chute de pression dans l ouverture de la plaque matrice. Cela risquerait de provoquer des différences de vitesse d'écoulement qui nuiraient à la distribution de la taille des granulés. Figure 2: gaine chauffante (Kobelco) Dans les premières plaques matrice, l anneau à ouvertures d extrusion était entouré à l'intérieur et à l'extérieur par une gaine chauffante. En raison de la distance irrégulière entre les ouvertures d'extrusion et la gaine chauffante, des différences de température survenaient dans la matière fondue (figure 2). Figure 3: échangeur de chaleur (Kobelco) 2

3 Ensuite, des plaques matrice ont été développées dans lesquelles le flux de matière fondue passait par des tubes qui à leur tour passaient à travers une matière chauffante, comme dans un échangeur de chaleur tubulaire. Bien que cette version entraine une bien meilleure répartition de la chaleur, il est techniquement complexe et coûteux de placer des milliers de tubes dans les plaques matrice de grande taille (figure 3). Figure 4. canal chauffant (Kobelco) La dernière technologie du moment consiste de plaques matrice avec des canaux chauffant passant entre les ouvertures de la plaque matrice. Les canaux circulaires de la gaine chauffante agissent en tant que canaux de distribution et de collecte. L'introduction de ces canaux internes complique le processus de production mais offre des plaques matrice possédant une excellente régulation thermique due au concept adapté des canaux chauffants et à la grande fiabilité mécanique (figure 4 et 5). Cette solution est particulièrement adaptée aux grandes plaques matrice. Surface coupante en métal dur. Figure 5: détail canal chauffant (Kobelco) Initialement, comme les coupeurs rotatifs sont pressés contre la surface d'extrusion lors de la coupe, une surface en métal dur fut appliquée afin d éviter une usure prématurée. Cependant, la durée de vie des plaques matrice se révélait être insuffisante, donc peu après des insertions en métal dur furent utilisées. Figure 6: pastilles () 3

4 Dans un premier temps, des pastilles en métal dur furent installées dans des encoches dans la surface de la plaque matrice (figure 6). Dans cette version, l usure rapide de la pièce en acier engendrée par la cavitation, est la cause de l'usure rapide des coupeurs. Souder manuellement les pointes à leur place prend du temps et la qualité de l adhésion est difficile à contrôler. La perte des pastilles par conséquent est plutôt la règle que l'exception. Figure 7: carreaux () L'utilisation de petits carreaux en métal dur et serrés étroitement forme une alternative (figure 7). Ces carreaux, tout comme les pointes, sont soudées manuellement et ici également, les ruptures surviennent, mais moins fréquemment qu avec les pointes. Figure 8: segments () La solution contre la rupture de tuiles ou pointes est l'utilisation de disques en métal dur ou segments (figure 8). La surface d'usure annulaire est constituée d'un petit nombre de grands segments en métal dur contenant des trous d'extrusion formant une surface continue. Les segments et la plaque matrice ne peuvent être joints que par un processus automatisé et contrôlé, résultant en une adhésion très fiable. En premier temps, le carbure de tungstène (WC) très dur et durable était utilisé pour les pointes et tuiles en métal dur et le carbure de titane (TiC) pour les segments en métal dur parce qu'ils étaient plus faciles à souder. Le fait que le TiC offre une meilleure isolation thermique est un avantage supplémentaire. Le dernier développement consiste de l'utilisation de segments en métal dur en carbure de tungstène, qui est plus durable que le TiC. 4

5 Récapitulatif L'objectif est un granulé uniforme avec une distribution de taille étroite, avec un minimum de problèmes de granulation ainsi qu une durée de vie aussi longue que possible pour la plaque matrice et les coupeurs de coupe. À cette fin, la dernière génération de plaques matrice utilise une combinaison de canaux chauffants internes et des segments en métal dur en tant que surface d'usure. En fonction de la taille de la granulation présente, un choix peut être fait entre le carbure de titane ou le carbure de tungstène. Évidemment, le choix des coupeurs doit être fait en parallèle. Références [1] Polymer extrusion, C. Rauwendal, Hanser Publishers, Munich Vienna New york, 1986 [2] Granulieren von thermoplastische Kunststoffe, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf