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Article

1 - MANIFESTATIONS DE LA VISCO-ÉLASTICITÉ NON LINÉAIRE

2 - RHÉOMÉTRIE EN CISAILLEMENT

3 - RHÉOMÉTRIE EN ÉLONGATION UNIAXIALE

4 - APPLICATIONS À LA TRANSFORMATION DES MATIÈRES PLASTIQUES

5 - LOIS DE COMPORTEMENT VISCOÉLASTIQUE NON LINÉAIRE

6 - CONCLUSION

7 - ANNEXE : LEXIQUE

| Réf : AM3630 v1

Applications à la transformation des matières plastiques
Viscoélasticité non linéaire des polymères fondus

Auteur(s) : Christian CARROT, Jacques GUILLET

Date de publication : 10 avr. 2000

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Auteur(s)

  • Christian CARROT : Professeur à l’université Jean-Monnet (Saint-Étienne) - Faculté des sciences et techniques - Laboratoire de rhéologie des matières plastiques

  • Jacques GUILLET : Professeur à l’université Jean-Monnet (Saint-Étienne) - Faculté des sciences et techniques - Directeur du Laboratoire de rhéologie des matières plastiques

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INTRODUCTION

L’étude du comportement rhéologique des polymères fondus et l’existence de corrélations avec leur structure fournissent un outil précieux et incontournable pour améliorer la qualité des produits et le rendement des procédés de transformation. Cette démarche est possible à deux niveaux :

  • optimiser le choix d’un matériau pour une technique de transformation donnée et une application ;

  • optimiser un procédé pour un matériau et une application.

Ce dernier point a pris de l’importance dans les deux dernières décennies avec le développement des outils et des logiciels de simulation des procédés pour lesquels la détermination d’une loi de comportement (visqueuse dans la plupart des cas) est un passage obligé.

Les concepts et résultats fondamentaux exposés dans l’article « Viscoélasticité linéaire des polymères fondus » de ce traité avaient trait à des comportements dans des situations de déformations infinitésimales. Cependant, lors de la transformation des polymères thermoplastiques, du granulé à l'objet fini, la déformation est de toute évidence macroscopique et cette situation, combinée au comportement viscoélastique du polymère, génère un ensemble de manifestations difficilement interprétables dans le cadre restreint de la viscoélasticité linéaire.

Dans le cas des fluides et dans le contexte des possibilités actuelles en termes de modélisation, la prise en compte du comportement visqueux en cisaillement est souvent suffisante, au moins pour des applications courantes (mise en œuvre par injection des thermoplastiques, étalement de peintures...). Ainsi, dans ce cadre, les équations d’état, reliant tous les états de contrainte possibles à tous les états de déformation possibles, peuvent se simplifier sous la forme parti-culière de lois d’écoulement. Ces lois ne considèrent alors seulement que le contexte particulier de contrainte ou de déformation du fluide (cisaillement) et n’utilisent qu’une partie des paramètres du matériau intervenant dans l’équation d’état.

Toutefois, un certain nombre de caractéristiques de nature élastique ainsi que l’existence de procédés faisant clairement intervenir des cinématiques différentes (élongation en particulier) montrent les limites d’une telle approche et invitent à aborder ces aspects du comportement des fluides viscoélastiques que sont les polymères fondus.

Cet article se propose de décrire quelques phénomènes observés dans des situations d'écoulement simple mais non linéaire des polymères fondus, les outils d'analyse du comportement en cisaillement et en élongation (rhéomètres), les liens avec la structure des polymères et quelques exemples d'appli-cation à la mise en œuvre.

L’analyse du comportement viscoélastique en situations de faibles ou de grandes déformations dans le cas d’écoulements simples permet enfin de comprendre l’origine d’un certain nombre de phénomènes apparaissant dans des écoulements complexes. Ces phénomènes de nature viscoélastique sont parfois à l’origine d’un certain nombre de défauts caractéristiques apparaissant sur les produits issus de la mise en forme à l’état fondu et la compréhension des causes gérant leur apparition permet d’espérer pallier ces inconvénients et ces facteurs limitants de la productivité et/ou de la qualité. On étudiera ici plus particulièrement le gonflement en sortie de filière et les défauts d’extrudats.

Enfin, au vu de cet ensemble de particularités, la prévision du comportement viscoélastique non linéaire des polymères fondus ne peut évidemment se satisfaire de lois de comportement purement visqueuses. Le formalisme mathéma-tique ainsi que les notions de base qui conduisent à la formulation d’équations constitutives plus complexes, mais plus réalistes, seront finalement abordés.

Le lecteur aura avantage à consulter aussi l’article Viscoélasticité linéaire des polymères fondus [AM 3 620] de ce traité (référence [15]).

Les principaux termes utilisés en viscoélasticité non linéaire sont répertoriés dans le tableau 7, paragraphe 7 de cet article.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-am3630


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4. Applications à la transformation des matières plastiques

4.1 Domaines de gradient de vitesse des procédés

La compréhension de l’influence du comportement rhéologique du polymère sur sa mise en œuvre nécessite l’identification préalable du domaine de gradient de vitesse propre à la technique de transformation utilisable. La figure 22 montre de façon schématique ces domaines pour quelques procédés. En toute rigueur, seul un calcul, au moins approximatif, peut permettre d’évaluer le domaine de fonctionnement. Ces calculs font appel à une étude de la géométrie et de la mécanique des fluides dans les outillages. On rappelle pour mémoire quelques expressions utiles pour des géométries simples (pour un débit volumique ).

  • Dans un tube de rayon R :

  • Entre plaques planes parallèles (largeur W, entrefer H) :

  • Dans une zone de vis d’extrudeuse (diamètre D, profondeur de canal H, vitesse de rotation N) :

  • En cisaillement simple (entrefer H et vitesse de paroi V) :

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4.2 Comportement rhéologique dans un procédé donné

Deux exemples d’application au choix d’un matériau dans un procédé de transformation donné sont cités ci-après.

...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BOGER (D.-V.), WALTERS (K.) -   Rheological phenomena in focus (Les phénomènes rhéologiques).  -  Rheology Series, Elsevier Science Publishers, 4, 156 p. (1993).

  • (2) - COUARRAZE (G.), GROSSIORD (J.-L.) -   Initiation à la rhéologie.  -  Tec. et Doc., Lavoisier, 272 p. (1991).

  • (3) - COLLYER (A.-A.), CLEGG (D.-W.) -   Rheological measurements (Mesures rhéologiques).  -  Elsevier Applied Sciences Publishers Ltd., 647 p. (1988).

  • (4) - SHENOY (A.-V.), SAINI (D.-R.) -   Thermoplastic melt rheology and processing (Rhéologie et transformation des thermoplastiques).  -  Dekker (M.) Inc., 459 p. (1996).

  • (5) - DEALY (J.-D.), WISSBRUN (K.-F.) -   Melt rheology and its role in plastics processing – Theory and applications (La rhéologie des polymères fondus et son rôle dans la transformation des matières plastiques – Théorie et applications).  -  Van Nostrand Reinhold, 665 p. (1990).

  • ...

1 À lire également dans nos bases

CARROT (C.) - GUILLET (J.) - Viscoélasticité linéaire des polymères fondus. - [AM 3 620] Traité Plastiques et Composites (1999).

WOLFF (C.) - DUPUIS (D.) - Viscosité. - [R 2 350] Traité Mesures physiques (1994).

HAUT DE PAGE

2 Normes et standards

HAUT DE PAGE

2.1 American Society for Testing and Materials (ASTM)

D1238-04c - 2004 - Test method for melt flow rates of thermoplastics by extrusion plastometer - -

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