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RÉSUMÉ
Le concept de distribution de temps de séjour (DTS) est crucial dans de nombreuses applications en extrusion, en particulier lorsqu'il s'agit de systèmes réactifs, de problèmes de dégradation ou de problèmes de mise à l'échelle. Dans cet article, après avoir introduit les notions de base concernant les DTS, les différentes méthodes de mesure seront détaillées, suivies par la présentation de résultats expérimentaux sur l'influence des principaux paramètres du procédé d'extrusion (vitesse de rotation, débit, température, profil de vis, etc.). Enfin, les différentes approches théoriques pour décrire et/ou prédire la DTS seront passées en revue.
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Bruno VERGNES : Docteur ès sciences - MINES Paris – PSL, CEMEF, Sophia Antipolis, France
INTRODUCTION
Le concept de distribution des temps de séjour (DTS) a été introduit en génie chimique au début des années 1950, puis développé par la suite et appliqué au domaine de la plasturgie dès les années 1960. Lorsqu'un fluide s'écoule dans un réacteur, les trajectoires des particules et leurs vitesses le long de ces trajectoires sont généralement différentes. Par conséquent, le temps passé dans le réacteur n'est pas identique pour toutes les particules mais caractérisé par une distribution, qui décrit l'histoire temporelle du fluide. Dans de nombreuses applications en extrusion, la qualité du produit final va dépendre de l’histoire thermomécanique que le matériau a subie au cours du procédé. Ceci est particulièrement important lorsque l’on a affaire à des systèmes réactifs, à des produits sensibles à la dégradation thermique, ou que l’on désire extrapoler correctement un procédé d’une échelle laboratoire à une échelle industrielle.
Il est donc crucial d’avoir accès à cette histoire thermomécanique, caractérisée en partie par la distribution de temps de séjour. Cela nécessite la mise au point de techniques de mesure appropriées, capables de fournir des données précises de manière rapide et sans perturber le procédé. Cela passe ensuite par le développement de modèles théoriques, dans le but de simplement décrire ou mieux de prédire la DTS en fonction des conditions opératoires. C’est là l’objet de cet article, dans lequel ces divers aspects de la DTS seront abordés, et ceci, lorsque cela sera possible, dans les différents procédés d’extrusion, à savoir l’extrusion monovis, les extrusions bivis co- et contrarotatives, et le co-malaxeur.
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Glossaire5. Conclusion
Cet article résume les travaux sur la distribution des temps de séjour dans les procédés d’extrusion sur une période qui s’étend entre 1970 et aujourd'hui. Bien que le pic de publications ait eu lieu autour des années 2000, un nouvel intérêt pour ce sujet est apparu au cours des dernières années, en raison du développement de l'extrusion à chaud (HME, Hot Melt Extrusion) et de la granulation par voie humide (wet granulation) pour les applications pharmaceutiques.
Au fil des ans, les techniques de mesure ont considérablement évolué. Des techniques hors ligne des débuts, on est progressivement passé à des mesures en ligne de plus en plus précises, permettant d'effectuer des mesures à la fois globales et locales en plaçant des sondes appropriées en différents endroits le long du fourreau.
Même si les principales contributions des paramètres opératoires à la DTS sont désormais bien comprises, certaines questions restent en suspens, comme l'influence des propriétés rhéologiques. La viscosité en cisaillement ne semble pas jouer de rôle tant que l'écoulement reste laminaire, mais le rôle potentiel de la viscoélasticité ou de la viscosité élongationnelle resteraient à élucider.
En outre, des progrès supplémentaires sont nécessaires pour mieux comprendre le comportement des matériaux de formulation complexe. Pour les mélanges de polymères non miscibles, la DTS dépend-elle de la morphologie du mélange ? Du rapport entre les constituants ? Que se passe-t-il en cas de morphologie co-continue ou d'inversion de phase ? Pour les mélanges solide/liquide, comment se comporte la DTS à des taux de charge élevés ? Quel est le rôle d’un seuil d’écoulement ? Que se passe-t-il si le matériau est soumis à un glissement à la paroi ?
Les approches théoriques fondées sur la mécanique des milieux continus sont puissantes, mais sont actuellement limitées à des éléments spécifiques ou à de petites portions de l'ensemble du procédé. Celles issues des modèles du génie chimique peuvent être utiles pour comparer différentes expériences, mais sont incapables de prédire correctement un changement dans les conditions opératoires ou le profil de vis. À l'heure actuelle, les meilleurs modèles semblent être ceux qui combinent les deux approches, en intégrant divers types de réacteurs idéaux dans une approche...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DANCKWERTS (P.V.) - Continuous flow systems. Distribution of residence times. - Chem. Eng. Sci., 2, p. 1 (1953).
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(2) - LEVENSPIEL (O.) - Chemical Reaction Engineering : An Introduction to the Design of Chemical Reactors. - Wiley, New York (1962).
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(3) - PINTO (G.), TADMOR (Z.) - Mixing and residence time distribution in melt screw extruders. - Polym. Eng. Sci., 10, p. 279 (1970).
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(4) - CASSAGNAU (P.), TAHA (M.) - The concept of conversion distribution in reactive processing. - J. Appl. Polym. Sci., 60, p. 1765 (1996).
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(5) - GAO (J.), WALSH (G.), BIGIO (D.), BRIBER (R.M.), WETZEL (M.D.) - Residence time distribution model for twin-screw extruders. - A.I.Ch.E. J., 45, p. 2541 (1999).
-
(6) - WEISS (R.A.), STAMATO (H.) - Development of an ionomer tracer...
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ANNEXES
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