La présente invention concerne un procédé
pour la fabrication en continu d'un crayon à écrire ou à colorier,
par extrusion simultanée de matières thermoplastiques constituant successivement
d'une part la mine et d'autre part la matière qui entoure la mine, dénommée
matière bois dans la suite du présent texte par analogie avec la composition
des crayons traditionnels, dans lesquels cette matière est en bois. Elle concerne
plus particulièrement un procédé par tri-extrusion de matières
thermoplastiques selon lequel une couche intermédiaire de protection est co-extrudée
entre la mine et la matière bois. Elle concerne également un crayon à
écrire ou à colorier, susceptible d'être obtenu par le procédé
de l'invention.
La fabrication en continu d'un crayon à écrire
ou à colorier par co-extrusion de matières thermoplastiques constituant
la matière mine, une couche intermédiaire de protection et la matière
bois est déjà connue par le document EP.0.505.262. Dans ce document la
couche intermédiaire de protection est dans une matière thermoplastique
non-expansée, compatible avec la matière mine et la matière bois
et ayant une température de fusion qui est égale ou supérieure à
la fois à la température de fusion de la matière mine et à celle
de la matière bois. Cette sélection particulière de la matière
thermoplastique constitutive de la couche intermédiaire de protection a pour
but d'éviter des défauts dus à la présence de bulles sur la
périphérie extérieure de la matière mine, qui ont été
constatés lors de la fabrication de crayons par bi-extrusion mettant en oeuvre
un agent d'expansion dans la matière bois. Du fait de sa température de
fusion, la matière thermoplastique constitutive de la couche de protection
est moins fluide que les matières mine et bois. De ce fait elle ne se déforme
pas sous l'effet des bulles dégagées en surface de la matière bois
et constitue une barrière de protection pour la matière mine.
Le problème que cherche à résoudre la présente
invention est d'un autre ordre. Il concerne également la fabrication en continu
par co-extrusion d'un crayon à écrire ou à colorier à partir
de matières thermoplastiques. Il a été en effet constaté la
présence d'un autre type de défaut, à savoir des fissurations de
la mine, entraînant des casses fréquentes notamment lors de la taille
du crayon.
Le but que s'est fixé le demandeur est de proposer
un procédé de fabrication qui pallie l'inconvénient précité,
évitant l'apparition de telles fissurations.
Ce but est parfaitement atteint par le procédé
de l'invention. Il s'agit d'un procédé de fabrication en continu de crayons
à écrire ou à colorier qui consiste à co-extruder une première
matière thermoplastique chargée, dénommée matière mine,
et autour de celle-ci une couche intermédiaire dite de protection dans une
matière thermoplastique exempte d'agent d'expansion et une seconde matière
thermoplastique contenant un agent d'expansion, dénommé matière bois,
et à refroidir lesdites matières thermoplastiques co-extrudées.
De manière caractéristique selon l'invention,
la matière thermoplastique constitutive de la couche de protection est déterminée
en sorte de rester déformable pendant le retrait de la matière mine, lors
du refroidissement.
Des constatations qu'a pu faire le demandeur, il est ressorti
que les fissurations apparaissent principalement lorsqu'ont été mises
en oeuvre pour la matière mine des matières thermoplastiques à fort
coefficient de dilatation engendrant, lors du refroidissement, des retraits importants
longitudinaux et transversaux. Il s'agit en particulier des matières mines
mises en oeuvre dans la fabrication de crayons à mine tendre.
De préférence, la matière thermoplastique
constitutive de la couche de protection est choisie pour que son point de solidification
soit inférieur au point de solidification de la matière thermoplastique
constitutive de la matière mine.
Ainsi, lors du refroidissement des matières extrudées,
éventuellement d'ailleurs après les coupes transversales de celles-ci
donnant lieu aux crayons unitaires, la matière mine va se solidifier en premier
par rapport à la couche de protection, car son point de solidification (c'est-à-dire
la température à partir de laquelle la matière thermoplastique qui
était à l'état plastique ou fondu commence à se solidifier)
est supérieur à celui de la matière thermoplastique constitutive
de la couche de protection. Le retrait de la matière mine qui intervient lors
de la solidification va se dérouler alors que la matière mine se trouve
entourée par la couche de protection qui n'est pas encore solidifiée mais
qui se trouve dans un état déformable. Cette couche de protection, par
sa déformabilité et sa souplesse, permet à la matière mine de
se libérer de ses contraintes internes et donc de se rétracter sans qu'apparaissent
des fissurations. La solidification proprement dite de la couche de protection intervient
ultérieurement.
De préférence l'écart entre les points de
solidification de la matière mine et de la couche de protection est de l'ordre
de 10 à 20°C.
De préférence pour abaisser le point de solidification
de la couche de protection, on met en oeuvre comme additif soit un thermoplastique
élastomère soit un copolymère éthyl-vinyl-acétate (EVA).
C'est un autre objet de l'invention que de revendiquer
un crayon à écrire ou à colorier, qui est susceptible d'être
obtenu par le procédé de fabrication précité.
De manière connue, ce crayon est constitué par
la superposition d'une âme en une première matière thermoplastique
chargée dénommée matière mine, d'une couche de protection d'une
matière thermoplastique non-expansée et d'une couche d'une deuxième
matière thermoplastique expansée dénommée matière bois.
De manière caractéristique, la matière thermoplastique constitutive
de la couche de protection a un point de solidification qui est inférieur à
celui de la matière thermoplastique constitutive de la matière mine.
Avantageusement la couche de protection contient un thermoplastique
élastomère ou un copolymère éthyl-vinyl-acétate (EVA).
De préférence la couche de protection comporte,
comme matière thermoplastique, un polymère styrénique. Par exemple
la couche de protection comporte de 70 à 95% d'un composé styrénique
et de 5 à 30% d'un thermoplastique élastomère ou d'un copolymère
éthyl-vinyl-acétate.
Il est également possible de mettre en oeuvre, comme
matière thermoplastique constitutive de la couche de protection ,une matière
qui ne se solidifie pas après le refroidissement mais qui étant déformable
à chaud reste souple. Il peut s'agir notamment d'une matière thermoplastique
élastomère.
La présente invention sera mieux comprise à la
lecture de la description qui va être faite d'une version du procédé
de fabrication d'un crayon à écrire ou à colorier par tri-extrusion
de matières thermoplastiques et du crayon à trois couches successives
ainsi obtenu, illustré par le dessin annexé dans lequel:
- La figure 1 est une représentation sous forme d'un diagramme des étapes
de la tri-extrusion, et
- La figure 2 est une vue en perspective du crayon à couche de protection
souple selon l'invention.
Les techniques de poly-extrusion sont bien connues de l'homme
du métier. Les matériels mis en oeuvre sont par exemple du type de celui
décrit dans le document FR.2.099.248 pour la bi-extrusion, appliquée à
la fabrication en continu de crayons à écrire. De ce fait, on s'est contenté
de schématiser sur la figure 1 une tri-extrusion de trois couches de matières
thermoplastiques respectivement une âme centrale, une couche intermédiaire
et une couche extérieure.
Dans le cadre de la présente invention, l'âme
centrale constitue la matière mine 1, la couche intermédiaire constitue
la couche de protection 2 et la couche extérieure constitue la matière
bois 3 d'un crayon 4 fabriqué en continu.
La composition des matières thermoplastiques est déterminée
pour que chaque élément correspondant ait les propriétés que
l'on attend : l'ensemble du crayon doit avoir une bonne taillabilité et une
densité proche de celle du crayon traditionnel en bois. S'agissant de la matière
mine, celle-ci doit comporter des charges pour l'écriture et être facilement
transférable sur le support d'écriture ou de coloriage pour avoir un bon
pouvoir couvrant. Les composants correspondants sont par exemple choisis parmi ceux
décrits dans le document FR.1.588.294.
S'agissant de la matière bois, pour obtenir la densité
recherchée, celle-ci contient un agent expansant par exemple l'azo-dicarbonamide.
S'agissant de la couche de protection 2, qui est exempte d'agent expansant, elle
doit être compatible avec d'une part la matière mine 1 et la matière
bois 2 en sorte d'assurer la bonne tenue de la mine dans le crayon. La matière
constitutive de la couche de protection est choisie pour avoir un point de solidification
qui est inférieur, voire nettement inférieur, à celui de la matière
thermoplastique constitutive de la mine.
Le point de solidification est aussi couramment dénommé
point de ramollissement. C'est la température (ou la zone de température)
à partir de laquelle la matière à l'état plastique ou fondu
commence à se solidifier. C'est aussi la température (ou la zone de température)
à partir de laquelle la matière thermoplastique à l'état solide
commence à se ramollir. Elle est aussi appelée point VICAT.
Lors du refroidissement du crayon 4, constitué par
les trois couches co-extrudées 1, 2,3, la matière mine 1 se solidifie
plus rapidement que la couche de protection. C'est lors de cette solidification
qu'intervient le phénomène de retrait qui développe dans la matière
mine des contraintes internes , contraintes qui sont fonction de la composition
de la matière mine et de son diamètre. Conformément à l'invention,
la solidification de la matière mine intervient alors que la couche de protection
n'ayant pas encore commencé à se solidifier, est encore dans un état
déformable (pâteux ou en tout état de cause souple). De ce fait la
matière constitutive de la couche de protection va accompagner, en se déformant,
le retrait de la matière mine, ce qui évite l'apparition ultérieure
des fissurations.
C'est lors de la fabrication de crayons à écrire
ou à colorier à mine douce que l'on remarque le plus l'apparition de telles
fissurations dans la mine. Selon les constatations du demandeur, les mines douces
ont un coefficient de dilatation plus élevé, ce qui entraîne un phénomène
de retrait plus important. Selon le concept de la présente invention, la couche
de protection a pour fonction de compenser la différence de coefficient de
retrait entre les matières thermoplastiques constitutives de la matière
mine d'une part et de la matière bois d'autre part, tout en réalisant
la liaison mécanique entre ces deux matières, une fois que la solidification
intégrale du crayon est intervenue. Il importe en effet que subsiste une liaison
mécanique entre la mine et le reste du crayon.
Plus la structure de la mine est douce, plus ses performances
mécaniques diminuent, en particulier la rupture à la flexion. Pour compenser
ces pertes de performances mécaniques, on augmente le diamètre de la mine
dans le crayon, ce qui corrélativement accroît le phénomène
de retrait et l'importance de la mise en oeuvre de la couche de protection conformément
à l'invention. Cette couche de protection qui dans ce cas de préférence
a une épaisseur au moins égale à 0,5mm, peut faire office de renfort
pour la matière mine, assurant une consolidation de la mine apte à diminuer
sensiblement les risques de casses lors de l'utilisation du crayon.
Bien sûr dans le cas d'une matière bois avec
agent expansant, il est souhaitable que la couche de protection remplisse également
la fonction qui lui était impartie dans le document EP.0.505.262 à savoir
de former une barrière pour la matière mine contre la diffusion des bulles
provenant de la matière bois. Dans ce cas, la matière thermoplastique
constitutive de la couche de protection, qui est exempte d'agent d'expansion et
qui est compatible avec la matière mine et la matière bois, a une température
de fusion qui est égale ou supérieure à la fois à la température
de fusion de la matière mine et à celle de la matière bois.
Exemple 1 :
Il s'agit d'un crayon 4 à mine douce en graphite.
La composition de la matière mine 1 est la suivante:
copolymère polystyrène méthacrylate
: 20 - 25 %
plastifiant
: 15 %
noir de carbone
: 55 %
noir de fumée
: 5 %
stéarate de zinc
: 0,5 %
talc
: 4,5 %
La composition de la couche de protection 2 est la suivante :
polymère styrénique
: 80 %
copolymère éthyle vinyle acétate EVA
: 20 %
La composition de la matière bois 3 est la suivante :
copolymère polystyrène-méthacrylate
: 78,5 %
plastifiant du type phtalate
: 10 %
sciures de bois
: 10 %
pigments (mélange maître)
: 1,5 %
Juste avant l'extrusion, on mélange à la matière bois de l'ordre
de 2 % d'un mélange maître contenant de l'azo-dicarbonamide comme agent
d'expansion.
La couche de protection peut être également teintée
avec un mélange maître de façon à ce que la couche de protection
2 ait la même couleur que la matière bois 3 ou être teintée
d'une autre couleur pour la rendre plus visible.
Le point de solidification ou point Vicat A (ISO 306),
pour les différents constituants thermoplastiques ci-dessus est de :
. méthacrylate
: 100 à 110°C
. polystyrène choc
: 92 à 95°C
. ABS
: 104 à 110°C
. copolymère éthyle-vinyle-acétate
: 40 à 44°C
La présence de copolymère éthyle-vinyle-acétate,
même en faible proportions, permet d'abaisser le point de solidification de
la couche de protection comparativement à la matière mine et la matière
bois.
Le même effet pourrait être obtenu en mettant
en oeuvre à la place du copolymère éthyl-vinyl-acétate un thermoplastique
élastomère, par exemple type SBS (Styrène Butadiène Styrène)
de dureté Shore 50 à 70.
Après tri-extrusion et passage en continu dans un
conformateur 5, on obtient un crayon 4 de configuration hexagonale qui, une fois
taillé (figure 2), laisse apparaître entre la matière mine et la
matière bois 3 la couche de protection 2 qui dans le cas d'espèce avait
une épaisseur de 0.3 mm pour un crayon 4 d'environ 7 mm entre plat et une mine
d'environ 2 mm de diamètre.
Exemple 2 :
Il s'agit d'un crayon 4 à mine douce de couleur.
La matière bois 3 est inchangée.
La composition de la matière mine 1 est la suivante
:
. copolymère polystyrène méthacrylate
: 25 %
. plastifiant du type phtalate
: 15 %
. pigments colorés
: 25 %
. stéarate de zinc
: 0,5 %
. talc
: 34,5%
La composition de la couche de protection 2 est la suivante
:
. polymère styrénique
: 83 %
. copolymère éthyle vinyle acétate (EVA)
: 15 %
. mélange maître pigment
: 2 %
Dans le cas de l'utilisation d'un thermoplastique élastomère
, du type SBS, la composition de la couche de protection 2 aurait été
la suivante :
. polymère styrénique
: 88 %
. thermoplastique élastomère
: 10%
. mélange maître pigment
: 2 %
La présente invention n'est pas limitée aux modes
de réalisation qui ont été décrits à titre d'exemples non
exhaustifs. Il est possible de mettre en oeuvre d'autres composants de base pour
la matière mine et la matière bois que le copolymère polystyrène
méthacrylate. De plus il est possible de donner au crayon tout type de configuration,
sans limitation à la forme hexagonale. Il peut s'agir d'une forme circulaire,
triangulaire, octogonale, sans que cette liste soit exhaustive. Il est aussi possible
d'utiliser pour la couche de protection une matière thermoplastique qui non
seulement est déformable à chaud (lors du retrait de la mine) mais qui
ne se solidifie pas et reste souple après refroidissement complet du crayon,
par exemple à base de thermoplastique élastomère.