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RÉSUMÉ
Le procédé d’extrusion de film à plat de polymère ou « cast film » est un procédé industriel complexe, principalement utilisé dans le domaine de l’emballage (alimentaire, produits techniques), permettant de fabriquer des films sophistiqués d’épaisseur de quelques dizaines de micromètres. Ce procédé permet même de combiner plusieurs matériaux polymères en films multicouches. Le procédé d’extrusion du film monocouche, quant à lui, aboutit à d’excellentes propriétés optiques et dimensionnelles, avec des grandes vitesses de production.
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David SILAGY : Ingénieur Arts & Métiers, Docteur en Sciences et Génie des Matériaux de l’École Nationale Supérieure des Mines de Paris Chef du Service des Technologies de Transformation des Thermoplastiques d’ARKEMA, CERDATO
INTRODUCTION
Le procédé d’extrusion de film à plat de polymère, couramment dénommé « cast film » ou « film casting » est avec le soufflage de gaine, l’un des procédés permettant de fabriquer des films (d’épaisseur variant de 10 à 300 µm). On préférera l’extrusion de film à plat dans le cas où le polymère est peu visqueux et se prête mal à des opérations de soufflage de gaine (cas des polyamides), dans le cas où le produit doit être couché sur un substrat (polyéthylène basse densité ou haute densité, polypropylène, polyéthylène téréphtalate), dans le cas où le film est destiné à être biétiré (cas du polypropylène ou polyéthylène téréphtalate). Au cours des dernières années, les exigences du marché du film ont conduit à des développements intensifs dans la technologie d’extrusion de film à plat, ce qui débouche sur un procédé de production mature pour la fabrication de films de haute précision dimensionnelle à partir d’un très large panel de matériaux polymères.
Les films produits par extrusion à plat sont principalement utilisés dans le marché de l’emballage. Il peut s’agir d’emballage alimentaire ou d’emballage de produits techniques, marchés qui tous les deux conduisent au développement de films sophistiqués, à très haute technicité, soit par le nombre de matériaux associés, soit par les épaisseurs relatives des couches obtenues. Ainsi, la coextrusion est une technique de plus en plus rencontrée dans le procédé d’extrusion de film à plat, avec des systèmes allant de façon exceptionnelle jusqu’à 11 couches, mais restant généralement limités à 5 couches.
Cet article se limite essentiellement au procédé d’extrusion du film monocouche. Le procédé d’extrusion de film plat est réputé pour permettre d’obtenir d’excellentes propriétés optiques et dimensionnelles. Le refroidissement par le biais d’un rouleau thermostaté permet d’atteindre de grandes vitesses de production (plusieurs centaines de mètres par minute) et influence significativement les morphologies obtenues dans le film.
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5. Limites du procédé d’extrusion de film à plat
L’analyse du procédé cast montre que l’écoulement du polymère fondu au cours de l’étirage est principalement élongationnel. Pour quantifier l’intensité de cette élongation, il est classique d’introduire la notion de taux d’étirage (souvent noté Dr pour Draw Ratio, en anglais), défini comme (voir figure 22) :
avec :
- U :
- vitesse linéaire d’écoulement en sortie de filière (indice 0 ) ou sur le rouleau thermostaté (indice f ).
5.1 Draw Resonance
Le premier type de problème est lié à la faisabilité du procédé, c’est-à-dire à la possibilité d’étirer un polymère donné dans des conditions opératoires données. Dans le cas du cast film, on observe dans certaines conditions des variations importantes d’épaisseur et de largeur du film au cours du temps, au-delà d’une certaine vitesse d’appel sur le rouleau. On définit généralement ce que l’on appelle un taux d’étirage critique, Dr c , qui est le rapport de cette vitesse d’appel sur la vitesse d’extrusion du polymère en sortie de filière. Pour Dr inférieur à Dr c , les dimensions du film sont régulières ; pour Dr supérieur à Dr c , les dimensions du film présentent des irrégularités périodiques marquées en épaisseur mais aussi en largeur. Cette instabilité d’étirage, que l’on rencontre également dans d’autres procédés élongationnels comme le filage textile ou le soufflage de gaine, est couramment dénommée Draw Resonance ou résonance d’étirage.
La figure 19 illustre l’ampleur du phénomène dans le cas du PET où l’on peut observer des variations d’épaisseur de l’ordre...
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