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Title:
PROTECTED PLASTIC TUBE AND METHOD FOR MAKING SAME
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2002/087874
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns a multilayer plastic tube, protected from degradation of its properties when used and manipulated and formed by a polymer tubular mandrel protected by two protective layers comprising each a polymer composition of non-oriented structure, the first being compatible with the polymer composition of the subjacent plastic material and the second being an outer layer, also acting as finish layer. A reinforcing layer formed of strips comprising an oriented polymer composition can be interposed between the mandrel and the first protective layer. The invention also concerns a method for making said tube.

Inventors:
DEHENNAU CLAUDE (BE)
MATZ PIERRE (BE)
Application Number:
PCT/EP2002/004669
Publication Date:
November 07, 2002
Filing Date:
April 25, 2002
Export Citation:
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Assignee:
SOLVAY (BE)
DEHENNAU CLAUDE (BE)
MATZ PIERRE (BE)
International Classes:
F16L11/06; B29C47/02; B29C69/00; B29D23/00; B32B1/08; F16L11/08; B29C35/08; B29C63/00; B29C63/10; B29C65/48; (IPC1-7): B32B27/08; B32B27/06; F16L11/08
Domestic Patent References:
WO1992001885A11992-02-06
WO1997040984A11997-11-06
Foreign References:
US5474822A1995-12-12
US5520223A1996-05-28
Attorney, Agent or Firm:
Decamps, Alain (Département de la Propriété Intellectuelle Rue de Ransbee, 310 Bruxelles, BE)
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Claims:
REVENDICATIONS
1. Tube multicouche en matière plastique protégé de la détérioration de ses propriétés lors de son usage et de sa manipulation et constitué d'un mandrin tubulaire à base d'une composition polymérique, caractérisé en ce qu'il est protégé par deux couches comprenant chacune une composition polymérique non orientée, la première étant compatible avec la composition polymérique de la matière plastique sousjacente et la deuxième étant une couche extérieure, servant aussi de couche de finition.
2. Tube selon la revendication précédente, renforcé visàvis des sollicitations mécaniques, caractérisé en ce que le mandrin comprend une. composition polymérique de structure biorientée.
3. Tube selon la revendication 1, renforcé visàvis des sollicitations mécaniques, caractérisé en ce que le mandrin comprend une composition polymérique de structure non orientée et qu'une couche de renforcement constituée d'au moins deux épaisseurs de bandes de renforcement comprenant une composition polymérique orientée est située entre le mandrin et la première couche de protection.
4. Tube selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première épaisseur de la couche de renforcement est collée sur le mandrin.
5. Tube selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les différentes épaisseurs de la couche de renforcement sont collées les unes sur les autres.
6. Tube selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première couche de protection est formée d'au moins une épaisseur de bandes enroulées autour du tube.
7. Tube selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première couche de protection est collée sur la composition polymérique sousjacente.
8. Procédé pour la production d'un tube multicouche en matière plastique, protégé de la détérioration de ses propriétés lors de son usage et de sa manipulation, caractérisé en ce que : a) on applique une première couche de protection sur un mandrin tubulaire à base d'une composition polymérique par enroulement d'au moins une épaisseur de bandes de composition polymérique non orientée compatible avec la composition polymérique de la matière plastique sousjacente ; b) on applique ensuite par surextrusion une deuxième couche de protection comprenant une composition polymérique non orientée, formant couche de finition externe.
9. Procédé selon la revendication précédente pour la production d'un tube renforcé visàvis des sollicitations mécaniques, caractérisé en ce que : a) on applique d'abord sur un mandrin à base d'une composition polymérique non orientée une couche de renforcement constituée d'au moins deux épaisseurs de bandes comprenant une composition polymérique orientée, par enroulement des bandes de manière telle que les bandes d'une épaisseur particulière forment avec celles de l'épaisseur adjacente un angle semblable et de signe opposé par rapport à la direction du tube ; b) on applique ensuite la première couche de protection ; c) on applique en dernier lieu la couche de finition externe.
10. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on effectue dans l'ordre les opérations suivantes : a) on préencolle les bandes de la couche de renforcement sur une de leurs faces au moyen d'un adhésif polymère activable thermiquement ; b) on applique ces bandes de renforcement par enroulement autour du mandrin ; c) on applique la première couche de protection ; d) on active l'adhésif de la couche de renforcement par irradiation du tube en cours de formation au moyen d'un rayonnement infrarouge ; e) on applique la couche de finition externe.
11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on effectue dans l'ordre les opérations suivantes : a) on préencolle les bandes de la couche de renforcement au moyen d'un adhésif polymère activable thermiquement ; b) on applique ces bandes de renforcement par enroulement autour du mandrin de chacune des épaisseurs de bandes successives tandis qu'on active dans le mme temps l'adhésif préencollé en plusieurs étapes distinctes, après chaque application d'une épaisseur de bandes ou d'un groupe de plusieurs épaisseurs successives de ces bandes, par irradiations successives du tube en cours de formation au moyen d'un rayonnement infrarouge ; c) on applique la première couche de protection ; d) on applique la couche de finition externe.
Description:
Tube protégé en matière plastique et procédé de fabrication dudit tube

La présente invention concerne un tube multicouche en matière plastique protégé de la détérioration de ses propriétés lors de son usage et de sa manipulation.

Les tubes devant résister à des sollicitations mécaniques importantes telles que les tubes de grand diamètre et/ou les tubes soumis à haute pression interne peuvent tre produits de manière économique en fonte ductile. Les tubes en matière plastique sont cependant préférés dans nombre de cas à la fonte en raison de leur beaucoup plus grande légèreté et de leur remarquable résistance à la corrosion.

Pour résister aussi bien que la fonte aux fortes sollicitations mécaniques, les tubes en matières plastiques traditionnelles doivent comporter une épaisseur de paroi plus élevée, ce qui en grève le coût et les rend moins compétitifs par rapport aux tubes en fonte ductile.

Par ailleurs, les tubes en matière plastique présentent souvent une faible résistance au fluage sous contrainte prolongée. Il est cependant très important, dans le cas de certains types d'utilisation, que la résistance de ces tubes, par exemple la résistance à l'éclatement, ne se dégrade pas au bout d'une longue période d'utilisation qui peut s'étendre sur parfois plusieurs dizaines d'années.

Pour résoudre ce problème, plusieurs solutions ont été envisagées. Une première solution a consisté en la production de tubes dont la matière plastique est biorientée dans les directions parallèle et perpendiculaire à l'axe du tube.

L'opération de biorientation ne peut cependant tre effectuée que sur le tube préalablement formé par extrusion, ce qui rend le procédé discontinu et en grève le coût. Par ailleurs, le maintien de la biorientation de la matière lors de la pose de raccords nécessite l'observance de précautions particulières impliquant l'utilisation de nombreux raccords spéciaux. En outre, le renforcement obtenu selon cette technique est surtout efficace dans le sens longitudinal et ne résout que très partiellement le problème de la résistance aux efforts radiaux qui représentent les contraintes maximales dans certaines applications, par exemple le transport de fluides sous pression. Jusqu'à présent, les tentatives effectuées pour rendre le procédé de biorientation continu n'ont pas encore porté pleinement leurs fruits, en raison des contraintes technologiques et du surcoût

important qu'elles induisent, en regard du gain de résistance encore insuffisant que l'on obtient.

Une autre solution a été de placer des renforts sur les tubes en matière plastique, comme par exemple l'enroulement, en continu, de fibres (en verre, par exemple) imprégnées par une résine thermoplastique ou thermodurcissable ("COFITS"). Toutefois, cette solution n'est pas non plus sans défauts, car ces enroulements sont généralement fragiles et augmentent fortement la densité du tube renforcé résultant, ainsi que son coût. Par ailleurs, l'efficacité de ces renforcements ne demeure pas toujours stable au cours du temps et le recyclage du tube en fin de vie est souvent difficile en raison de l'imbrication dans le polymère du tube de matières étrangères délicates à séparer.

On connaît aussi le brevet US-A-4,093,004 qui divulgue le principe du renforcement de mandrins en diverses matières (carton, papier, caoutchouc, bois ou matière plastique) au moyen de bandes en polyoléfine orientée. Le tube renforcé obtenu ne présente cependant pas une résistance suffisante en environnements comprenant des solvants organiques, tels que ceux que l'on trouve par exemple dans les compositions adhésives utilisées pour solidariser le tube aux raccords. De plus, le séjour du tube à haute température est nuisible à la conservation de l'orientation des bandes de renforcement et, par voie de conséquence, à la persistance de la bonne résistance mécanique du tube.

L'invention a pour objet de résoudre les problèmes posés par les systèmes de renforcement connus évoqués ci-dessus, tout en maintenant le coût de production dans des limites acceptables et concurrentielles avec les tubes en fonte ductile.

A cet effet l'invention concerne un tube multicouche en matière plastique protégé de la détérioration de ses propriétés lors de son usage et de sa manipulation et constitué d'un mandrin tubulaire à base d'une composition polymérique, selon lequel le tube est protégé par deux couches comprenant chacune une composition polymérique non orientée, la première étant compatible avec la composition polymérique de la matière plastique sous-jacente et la deuxième étant une couche extérieure, servant aussi de couche de finition.

L'invention concerne un tube multicouche, c'est-à-dire un tube formé d'un mandrin tubulaire recouvert d'au moins les couches de protection dont la couche la plus extérieure forme une couche superficielle continue.

Le mandrin tubulaire est un objet creux en forme de tube. Il est constitué, au moins partiellement, d'une composition polymérique.

Par composition polymérique, on entend désigner toute matière comprenant au moins une matière plastique à base de polymère en résine de synthèse.

Tous les types de matière plastique peuvent convenir. Des matières plastiques convenant bien appartiennent à la catégorie des matières thermoplastiques.

Par matière thermoplastique, on désigne tout polymère thermoplastique, y compris les élastomères thermoplastiques, ainsi que leurs mélanges. On désigne par le terme"polymère"aussi bien les homopolymères que les copolymères (binaires ou ternaires notamment). Des exemples de tels copolymères sont, de manière non limitative : les copolymères à distribution aléatoire, les copolymères à blocs et les copolymères greffés.

Tout type de polymère ou de copolymère thermoplastique dont la température de fusion est inférieure à la température de décomposition conviennent. Les matières thermoplastiques de synthèse qui présentent une plage de fusion étalée sur au moins 10 degrés Celsius conviennent particulièrement bien. Comme exemple de telles matières, on trouve celles qui présentent une polydispersion de leur masse moléculaire.

En particulier, on peut utiliser des polyoléfines, des polyhalogénures de vinyle, des polyesters thermoplastiques, des polycétones, des polyamides et leurs copolymères. Un mélange de polymères ou de copolymères peut aussi tre utilisé, de mme qu'un mélange de matières polymériques avec des charges inorganiques, organiques et/ou naturelles comme, par exemple, mais non limitativement : le carbone, les sels et autres dérivés inorganiques, les fibres de verre, les fibres minérales naturelles ou les fibres polymériques. Il est également possible d'utiliser des structures multicouches constituées de couches empilées et solidaires comprenant au moins un des polymères ou copolymères décrits supra.

Des polymères souvent employés sont le polychlorure de vinyle et le polyéthylène haute densité. D'excellents résultats ont été obtenus avec du polychlorure de vinyle.

Par tube"protégé de la détérioration"on entend désigner un tube dont la capacité de résistance aux conditions de son environnement est augmentée par enveloppement du tube au moyen d'au moins une couche en matière spécialement adaptée pour résister dans ces conditions.

Comme exemple de conditions d'environnement qui peuvent tre néfastes au maintien des propriétés des tubes non protégés, on peut citer, la haute température et la présence de solvants organiques.

Les couches de protection sont précisément les couches spéciales citées supra qui augmentent la capacité de résistance du tube aux conditions de son. environnement.

Ces couches de protection comprennent chacune une composition polymérique de structure non orientée, c'est-à-dire une composition ne comprenant, à titre de polymère que ceux dont les chaînes de molécules ne présentent aucune orientation particulière.

Selon l'invention, la première couche de protection est compatible avec la composition polymérique de la matière plastique sous-jacente. Par le terme "compatible", on entend désigner une couche de protection dont la composition polymérique qui la compose est inerte du point de vue chimique vis-à-vis de la matière plastique sous-jacente et dont la composition physique est telle qu'à l'état fondu elle peut se mélanger facilement à cette matière plastique sous-jacente sans donner lieu à des phénomènes de ségrégation. La compatibilité peut aussi impliquer une adhésion aisée d'une couche à l'autre.

Des exemples de compositions polymériques qui conviennent pour la première couche de protection sont celles comprenant les polyhalogénures de vinyle et les polyoléfines. Le polychlorure de vinyle a donné d'excellents résultats.

La deuxième couche de protection est une couche de finition, c'est-à-dire une couche extérieure qui fixe les dimensions externes du tube ainsi que la nature et l'état de sa surface. La deuxième couche de protection peut avoir une composition identique ou différente de celle de la première couche. En particulier, elle peut tre constituée du mme matériau polymérique que celui de la première couche. Le polychlorure de vinyle a également donné de bons résultats dans la composition de cette deuxième couche de protection.

Selon une première réalisation particulière du tube conforme à l'invention, le mandrin comprend une composition polymérique de structure biorientée.

Par structure biorientée, on entend désigner une structure polymérique dont au moins 20 % en poids des chaînes moléculaires des polymères qui interviennent dans sa composition sont disposées selon deux directions distinctes. De préférence, les deux directions sont perpendiculaires. On peut choisir pour polymères dont les chaînes sont orientées tout type de polymère

thermoplastique qui se prte facilement à l'orientation de ses chaînes de molécules. Des exemples de tels polymères sont les polyoléfines, les polyhalogénures de vinyle, les polyamides ainsi que leurs copolymères.

Lorsque le mandrin ne comprend pas de composition polymérique orientée, une deuxième variante intéressante du tube selon l'invention est celle où une couche de renforcement qui est constituée d'au moins deux épaisseurs de bandes de renforcement comprenant une composition polymérique orientée est située entre le mandrin et la première couche de protection. Selon cette deuxième variante de l'invention, c'est le caractère orienté de la composition polymérique des bandes de renforcement qui confère au tube un renforcement efficace.

Par tube renforcé, on entend désigner un tube dont les propriétés mécaniques intrinsèques de la composition de matière de base qui le constitue sont modifiées par la présence d'une composition de matière additionnelle différente de cette matière de base et qui apporte par sa présence un supplément de résistance mécanique. La composition de matière de base est une composition polymérique qui représente au moins 40 % en poids du poids total du tube renforcé. La composition polymérique de base est celle qui se retrouve dans le mandrin. La composition de matière additionnelle est matérialisée par la composition de la couche de renforcement.

Le vocable"composition polymérique orientée"signifie dans ce cas que la composition polymérique comprend au moins un polymère orienté.

La couche de renforcement peut comprendre une seule composition polymérique orientée. Alternativement, elle peut aussi comprendre un mélange de plusieurs compositions polymériques et éventuellement d'additifs non polymériques dont au moins un des polymères est orienté. Le polymère peut tre tout polymère thermoplastique susceptible de pouvoir tre présent dans les bandes sous forme orientée, c'est-à-dire ayant au moins 20 % en poids des chaînes moléculaires qui le composent disposées selon une mme direction. De préférence, la direction de l'orientation est celle de la longueur de la bande. On peut choisir pour polymère orienté tout type de polymère thermoplastique qui se prte bien à l'orientation de ses chaînes de molécules. Généralement, on utilise un polymère orienté dont la nature est la mme que celle des polymères servant couramment à la production de tubes devant résister à la pression. Des exemples intéressants de tels polymères dans le cas d'un mandrin en polyéthylène haute densité (HDPE) sont, non limitativement, les résines HDPE multimodales et les résines réticulables.

Les deux épaisseurs de bandes de renforcement sont enroulées autour du mandrin de telle manière que la deuxième épaisseur recouvre totalement la première autour du mandrin.

Lorsque le tube est renforcé par des bandes orientées, une alternative avantageuse à la deuxième variante décrite ci-dessus consiste en ce que la première épaisseur de bandes de la couche de renforcement est collée sur le mandrin, c'est-à-dire solidarisée à celui-ci par l'intermédiaire d'un adhésif de nature usuelle adaptée.

Il est aussi particulièrement intéressant que les différentes épaisseurs de la couche de renforcement soient en outre collées les unes sur les autres, afin d'assurer à l'ensemble du tube une cohésion maximale.

Dans tous les cas de figure exposés supra, une forme de réalisation intéressante du tube est de comporter une première couche de protection formée d'au moins une épaisseur de bandes non orientées enroulées autour du tube.

Dans toutes les variantes de tube décrites ci-avant, une autre forme de réalisation intéressante est celle dans laquelle la première couche de protection est collée sur la composition polymérique sous-jacente.

L'invention concerne aussi un procédé pour la production d'un tube multicouche en matière plastique, protégé de la détérioration de ses propriétés lors de son usage et de sa manipulation, selon lequel : a) on applique une première couche de protection sur un mandrin tubulaire à base d'une composition polymérique par enroulement d'au moins une épaisseur de bandes de composition polymérique non orientée compatible avec la composition polymérique de la matière plastique sous-jacente ; b) on applique ensuite par surextrusion une deuxième couche de protection comprenant une composition polymérique non orientée, formant couche de finition externe.

Les termes particuliers définis plus haut dans le cas du tube conforme à l'invention ont ici la mme signification pour le procédé.

L'application de la deuxième couche de protection par surextrusion peut se faire selon toute technique de surextrusion bien connue en soi, en particulier selon les techniques de surextrusion utilisées dans l'industrie de la fabrication des tubes en matière plastique. Un exemple de ces techniques est l'utilisation d'une filière creuse en forme de bague au centre de laquelle on fait passer le tube et qui permet la déposition régulière et continue d'une quantité contrôlée de composition polymérique en périphérie du tube.

Une variante intéressante au procédé conforme à l'invention qui permet l'obtention d'un tube protégé et renforcé vis-à-vis des sollicitations mécaniques consiste à effectuer les opérations suivantes : a) on applique d'abord sur un mandrin comprenant une composition polymérique de structure non orientée une couche de renforcement constituée d'au moins deux épaisseurs de bandes comprenant une composition polymérique orientée, par enroulement des bandes de manière telle que les bandes d'une épaisseur particulière forment avec celles de l'épaisseur adjacente un angle semblable et de signe opposé par rapport à la direction du tube ; b) on applique ensuite la première couche de protection ; c) on applique en dernier lieu la couche de finition externe.

Dans cette définition, le vocable"angle semblable"signifie un angle au moins égal au mme angle moins 5 degrés d'angle. Le vocable"angle semblable"comprend aussi un angle au plus égal au mme angle plus 5 degrés d'angle. De préférence, ce vocable signifie un angle au moins égal au mme angle moins 2 degrés d'angle. De préférence aussi, il comprend un angle au plus égal au mme angle plus 2 degrés d'angle.

L'application des deux couches de protection se fait de la mme manière que celle explicitée plus haut pour la fabrication du tube non renforcé.

Dans la variante du procédé de fabrication d'un tube protégé et renforcé, il est en outre particulièrement intéressant de préencoller les bandes de renforcement. Dans ce cas, on peut avantageusement utiliser un adhésif polymère activable thermiquement après sa mise en place, en effectuant les opérations suivantes, dans l'ordre : a) on préencolle les bandes de la couche de renforcement au moyen de l'adhésif polymère activable thermiquement ; b) on applique ces bandes de renforcement par enroulement autour du mandrin ; c) on applique la première couche de protection ; d) on active l'adhésif de la couche de renforcement par irradiation du tube en cours de formation au moyen d'un rayonnement infrarouge ; e) on applique la couche de finition externe.

L'opération de préencollage peut s'effectuer immédiatement avant l'application des bandes de renforcement, ou encore en temps différé, à un autre moment avant la fabrication du tube. De mme, elle peut tre appliquée sur une

face des bandes, ou sur les deux. De préférence, elle est appliquée sur une des faces.

Cette technique permet avantageusement d'appliquer les bandes de renforcement sans les chauffer au préalable et de doser ensuite facilement le flux de chaleur irradié par le rayonnement infrarouge au travers de la première couche de protection afin qu'il ne détruise pas l'orientation de la composition polymérique des bandes de renforcement.

En variante, on peut également activer l'adhésif des bandes de renforcement en plusieurs étapes distinctes, après chaque application d'une épaisseur de bandes par irradiations successives du tube en cours de formation au moyen du rayonnement infrarouge.

Il est aussi possible d'activer cet adhésif en plusieurs étapes distinctes après application d'un groupe de plusieurs épaisseurs successives des bandes de renforcement.

Au moins une des couches de protection peut aussi, en variante, tre collée à la structure sous-jacente au moyen d'un adhésif. Cet adhésif peut, par exemple, tre activable par irradiation infrarouge.

L'exemple qui suit est donné en vue d'illustrer l'invention, sans vouloir en limiter en aucune manière sa portée.

On a préparé une bande de polychlorure de vinyle (PVC) orienté de 360 mm de largeur par étirage d'un film de 400 mm de PVC non orienté SOLVING 266RC selon un taux de 400 % au moyen d'une calandre de laboratoire. Cette bande a présenté après étirage une épaisseur de 400 m, un module élastique de 5 GPa et une contrainte de rupture de 175 MPa.

On a ensuite encollé cette bande sur une seule de ses faces à l'aide d'un adhésif polymère hydrosoluble activable par la chaleur, de marque LUPHENs D200A.

La bande encollée a été enroulée autour d'un tube POLVA en PVC de 50 mm de diamètre extérieur et de rapport diamètre extérieur/épaisseur de paroi de 34, de qualité ordinaire du point de vue de sa résistance à la pression (pression admissible nominale de 0,75 Mpa). L'enroulement a été effectué en deux couches croisées selon un angle de 55° par rapport à l'axe du tube. On a ensuite chauffé la surface extérieure des bandes enroulées sur le tube à 75°C pendant 5 secondes.

Le tube obtenu a ensuite été recouvert d'une nouvelle couche de PVC SOLVING 266RC préalablement additivé sous la forme d'une bande non orientée de 400 um d'épaisseur le couvrant totalement et préalablement enduite de

l'adhésif LUPHEN D200A. Les additifs comprenaient un mélange de stabilisant à l'étain de type carboxylate (3 % en poids par rapport au PVC), d'un produit facilitant la mise en oeuvre (1 % en poids de polyméthacrylate de méthyle) et d'un lubrifiant (1 % en poids) composé d'un mélange de stéarate de Ca, de paraffine et de cire de polyéthylène oxydé. L'adhésif a alors été activé dans les mmes conditions que celles décrites plus haut pour les bandes orientées.

Le tube obtenu a ensuite été recouvert d'une couche de finition en PVC SOLVING 266RC (qualité habituellement employée pour des tubes de 300 um d'épaisseur), auquel on a ajouté les mmes additifs que ceux décrits plus haut, par passage au travers d'une filière annulaire, ensuite dans un dispositif de calibrage et dans un récipient de refroidissement rempli d'eau à température ordinaire.

Les mesures de pression d'éclatement selon la norme ISO 9080 effectuées sur un tube de référence en PVC POLVA°, non protégé ni renforcé et par conséquent non conforme à l'invention ainsi que sur des tubes renforcés et protégés selon l'invention ont donné les résultats suivants : Type de tube Epaisseur, mm Pression d'éclatement, bars POLVAs 3, 7 85 POLVA protégé et 3,2 100 renforcé POI, V, AO protégé et 3,8 120 renforcé Il apparaît que les tubes selon l'invention présentent une résistance à l'éclatement nettement améliorée par rapport à un tube non renforcé. Il est mme possible d'économiser environ 25 % en poids de matière par rapport à un tube classique, tout en gagnant néanmoins 15 % de résistance à l'éclatement (tube POLVA° renforcé et protégé de 3,2 mm d'épaisseur).