Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Dans cet article sont mises en avant les instabilités d'interface dans le procédé de coextrusion des polymères. Cette instabilité est de nature convective, c'est-à-dire que les petites perturbations dans l'écoulement sont amplifiées et transportées dans la direction d'écoulement. Une modélisation par stabilité linéaire, qui permet de prédire la stabilité d'écoulements simples (plans, isothermes), est ensuite présentée. Pour finir, les cas de géométries complexes, d'écoulements non isothermes et de polymères réactifs sont également abordés.
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This article focuses on interfacial instabilities in the process of polymer coextrusion. This instability is of a convective nature, which means that the little disturbances in the flow are amplified and transported in the direction of the flow. A modeling method by linear stabilization allows for predicting the stability of simple flows (charts, isotherms) is then presented. This article finally deals with cases of complex geometries, non-isothermal flows and reactive polymers.
Auteur(s)
-
Rudy VALETTE : Maître-assistant à l’École nationale supérieure des mines de Paris, - Centre de mise en forme des matériaux – Mines-ParisTech – UMR CNRS 7635
INTRODUCTION
L'extrusion est le procédé de mise en forme des thermoplastiques le plus utilisé. Ses applications couvrent un large domaine allant de la fabrication de films à la réalisation de profilés. Lorsque l'on extrude simultanément dans une même filière plusieurs fluides à partir de plusieurs extrudeuses, on parle de coextrusion : on réalise un écoulement multimatière et le produit obtenu en sortie de filière est dit multicouche.
L'intérêt d'un tel procédé est qu'il permet de conférer au produit les propriétés spécifiques de chacune des couches qui le composent. Associer ainsi les qualités des différents polymères permet de réaliser un gain de matière important (donc réduire le coût et/ou le poids) par rapport au produit monocouche présentant les mêmes caractéristiques.
On observe en général trois types de défauts sur le produit solidifié :
-
une mauvaise adhésion entre les couches ;
-
une mauvaise répartition des produits dans le sens transverse à l’écoulement due au contournement d'un produit par un autre (phénomène d'enrobage) ;
-
une irrégularité de l'interface, qui présente un aspect allant de l'oscillant au chaotique.
La variation d'épaisseur des différentes couches altère les propriétés esthétiques ou optiques du produit. Si l'une des interfaces disparaît localement, le produit peut aussi perdre ses propriétés barrières et devenir inutilisable.
Ces irrégularités sont la conséquence d'instabilités d’interface qui se développent dans la partie finale de la filière, où les différents polymères fondus s’écoulent ensemble sous forme stratifiée.
Ce dossier propose de décrire la nature convective de l’instabilité d’interface en coextrusion, l’écoulement stratifié transportant et amplifiant (ou atténuant, dans les cas stables) des perturbations intrinsèques au procédé qui apparaîtront comme plus ou moins visibles en sortie de filière.
Une modélisation de ce type de défaut est ensuite proposée, montrant le rôle déterminant du comportement viscoélastique des matériaux coextrudés. L’accent est mis sur l’analyse de stabilité linéaire du cas bicouche plan isotherme de polymères immiscibles, puis des extensions à des cas plus complexes sont proposées.
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Conclusion4. Prévention des instabilités d’interface
La recherche de configurations de coextrusion stables peut être menée selon deux logiques :
-
l’optimisation des paramètres procédés à produits fixés,
-
l’optimisation des propriétés des produits pour un procédé donné.
4.1 Paramètres procédé et dimensionnement des outillages
L’étude de stabilité linéaire est un outil d’investigation de choix pour optimiser les paramètres procédés dans des géométries simples. Une diminution de l’état de contrainte dans la filière (par augmentation de la température, par exemple) a pour effet de diminuer la valeur des sauts de viscosité et contrainte à l’interface (sauf si la thermodépendance des matériaux est très différente), favorisant ainsi la stabilité. En outre, dans les cas fortement instables, le choix d’une filière de faible longueur peut permettre de limiter l’amplitude des défauts en sortie.
L’utilisation, complémentaire, de techniques de simulation directe permet d’affiner les résultats donnés par l’étude de stabilité linéaire, dans le cas de géométries complexes et de conditions non monodimensionnelles (phénomènes thermiques importants, par exemple).
HAUT DE PAGE4.2 Optimisation des propriétés rhéologiques et interfaciales
Lorsque l’optimisation porte sur le choix d’un ou des produits, la maîtrise de ses propriétés rhéologiques est primordiale puisqu’elles influencent directement l’écoulement de base, et donc sa stabilité. L’étude de stabilité linéaire, qui permet de dresser des cartes de stabilité fonction des propriétés des produits, est ici encore un outil de choix.
Dans les cas de produits réactifs en configuration instable, le choix de propriétés interfaciales favorisant une cinétique rapide permet de stabiliser l’écoulement. Une modélisation des propriétés rhéologiques de l’interphase est proposée en ...
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Prévention des instabilités d’interface
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LEE (B.L.), WHITE (J.L.) - * - . – Trans. Soc. Rheol. (18) (1974).
-
(2) - HAN (C.D.), KIM (Y.J.), CHIN (H.B.) - * - . – Polym. Eng. Rev. (4) (1984).
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(3) - WILSON (G.M.), KHOMAMI (B.) - * - . – J. Non-Newt. Fluid Mech. (45) (1992).
-
(4) - CHAIGNEAU (R.) - Thèse de Doctorat - Institut National Polytechnique de Grenoble (1995).
-
(5) - VALETTE (R.), LAURE (P.), DEMAY (Y.), AGASSANT (J.-F.) - * - . – Intern. Polym. Proc. (XIX) (2004).
-
(6) - YIH (C.S.) - * - . – J. Fluid Mech. (27) (1967).
-
(7) - VALETTE (R.), LAURE (P.), DEMAY (Y.), AGASSANT (J.-F.) - * - ....
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Coextrusion de feuilles et plaques
-
Viscoélasticité non linéaire des polymères fondus
-
Modélisation des écoulements dans les filières d'extrusion
ANNEXES
Ximex
http://www.scconsultants.com/XimeX.html
Rem3D
http://www.transvalor.com/rem3d.php
Polyflow
http://www.ansys.com/products/polyflow/default.asp
Declic (description des écoulements laminaires et des instabilités de cœxtrusion)
http://math.unice.fr/~laure/declic/declic.html
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