Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
L'objectif permanent de réduction de poids conduit naturellement à fabriquer un emballage thermoformé à partir d'une feuille extrudée en polymère allégé, dont la structure, constituée de bulles microscopiques incrustées dans la matrice de polymère, permet de conserver un niveau de propriétés mécaniques suffisant. Sont décrits dans l'article les principes classiques d'un processus d'expansion (nucléation, gonflement, stabilisation), ainsi que les deux technologies (voie chimique et voie physique) qui permettent d'obtenir une feuille en polymère allégé. Les points communs et les différences qui caractérisent ces deux technologies sont abordés, et les modifications à apporter sur une ligne d'extrusion monovis classique, pour qu'elle puisse supporter leur mise en oeuvre, sont listées.
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The continuous weight reduction trend in packaging leads to the use of a high density foamed sheet for the making of thermoformed items the achieved structure, which is based on imbedded microscopic bubbles within the core of the sheet, allows for maintaining sufficient mechanical properties of the end product. In this article, the classical principles of an expansion process (nucleation, cells growth and stabilisation) are reviewed, as well as the two technologies that lead to manufacturing a high density foamed sheet. Both technologies are examined through their commonalities and differences. We also depict the modifications to bring in an existing single screw sheet extrusion line to allow for their implementation.
Auteur(s)
-
Rudi SALMANG : Spécialiste principal de recherche et développement - Laboratoires DOW Benelux,Terneuzen, Pays-Bas
-
Francis PINSOLLE : Ingénieur ENSEM (Nancy) - Master of sciences (University of Philadelphia, USA) - Institut d'administration des entreprises IAE (Aix en Provence)
INTRODUCTION
La technologie d'expansion des polymères a donné naissance à toute une gamme de produits que l'on désigne sous le vocable de mousses de polymères.
Selon leur densité relative (rapport entre la masse volumique de la mousse et celle du polymère utilisé), on distingue :
-
les mousses « basse densité » BD dont la densité relative est inférieure à 0,20 ;
-
les mousses « haute densité » HD, dont la densité relative est supérieure à 0,70 ;
-
et, entre ces deux limites, les mousses « moyenne densité » (MD).
Les mousses BD et MD sont présentes sur le marché depuis plusieurs décennies. Mais ce sont les mousses BD qui sont largement les plus répandues : elles constituent un produit pas cher et facile de manipulation, ayant en prime la particularité d'être ultraléger et antichoc tout en conservant une bonne rigidité.
Les mousses HD sont plus récentes. On parle de polymères allégés, par opposition aux polymères expansés pour les mousses BD et MD.
C'est à partir du milieu des années 2000 que les polymères allégés connaissent un rapide développement. Pièces injectées pour l'automobile, emballages thermoformés, toutes ces applications industrielles sont en croissance, l'allégement étant source de gain de poids tout en permettant de conserver à ces pièces des qualités mécaniques suffisantes.
Cet article est consacré à la feuille expansée destinée au thermoformage pour l'industrie de l'emballage, application dont le polystyrène est le polymère de référence. C'est pourquoi les principes et mécanismes généraux sont abordés pour ce polymère, mais ces principes ne sont pas réservés au polystyrène et s'appliquent aussi à la plupart des autres matières plastiques qui sont utilisées dans l'industrie pour fabriquer des mousses.
Les produits allégés sont présentés en décrivant les similitudes et les différences avec les mousses. Cette analyse comparative est déclinée dans chaque paragraphe de cet article.
L'expertise technique et scientifique de référence
KEYWORDS
state of art | foaming | single screw extrusion | tandem extrusion
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Produits cibles1. Structure « mousse » vs structure « allégée »
1.1 Structure allégée MD / HD
Si l'on réunit dans une boîte 200 cm3 d'air et 800 cm3 de polystyrène PS (figure 1-a), on obtient un mélange de 1 000 cm3 dont le poids est égal à 840,56 g (air : 2,8 g/1 000 cm3 et PS : 1 050 g/1 000 cm3). En d'autres termes, on a créé une nouvelle matière de densité 0,84 g/cm3, dont la structure correspond à celle d'une boîte de volume 1 000 cm3 qui renferme une cavité vide de 200 cm3.
Imaginons de substituer à cette « maxi » cavité un ensemble de 1 000 « mini » cavités de volume équivalent [200 cm3] – chacune de ces minicavités a donc la taille d'une bulle d'air de rayon égal à 3,6 mm – et de les disperser au sein des 800 cm3 de PS (figure 1-b). L'ensemble qui en résulte peut être considéré comme un corps poreux, mais sa cohésion structurelle est assurément médiocre, car les 1 000 bulles, séparées d'environ 10 mm en moyenne les unes des autres, constituent autant de défauts potentiels. Pour autant, cet ensemble aurait une structure expansée, constituée d'une phase continue de PS parsemée de bulles et caractérisée par une densité relative de l'ordre de 0,84.
Imaginons maintenant de diviser la cavité initiale en, non plus 1 000 bulles, mais 1 000 000 bulles de 0,36 mm de rayon chacune. L'ensemble résultant aurait toujours la même densité relative de 0,84, les bulles seraient désormais plus petites (1 mm) et séparées d'environ 0,3 mm en moyenne les unes des autres, constituant une structure certes plus résistante parce que plus homogène, mais ne procurant encore pas un niveau de performance suffisant.
Intuitivement, on comprend qu'en poursuivant dans cette voie – diminution de la taille des bulles et augmentation de leur nombre –, on va finir par atteindre un seuil critique à partir duquel les défauts liés à la taille des bulles et à l'épaisseur de paroi de PS séparant 2 bulles adjacentes s'atténuent, voire disparaissent.
Ce seuil critique dépend non seulement des propriétés du polymère, mais aussi des conditions de mise en œuvre du procédé de fabrication, ainsi que nous le...
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Structure « mousse » vs structure « allégée »
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ZHANG (H.) - Scale-Up of Extrusion Foaming Process for Manufacture of Polystyrene Foams Using Carbon Dioxide. - Graduate Department of Mechanical and Industrial Engineering, University of Toronto http://tspace.library.utoronto.ca
-
(2) - JULIEN (J.M.) - Développement de polymères et composites alvéolaires biosourcés à base de PLA (Poly Acide Lactique) - . Thèse de Doctorat 40548, Université de Lille 1, Sciences et Techniques. Jean Mario Julien http://hal.archives-ouvertes.fr
-
(3) - MEGALLY (A.), SALMANG (R.) - Process for producing thermoforming foam sheet using a physical blowing agent - . The Dow Chemical Company, Terneuzen, the Nederlands http://archivos.labcontrol.cl
-
(4) - WELSH (G.C.), and. al. - Process for producing thermoforming foam sheet using a physical blowing agent. - U.S. Patent 6, 544, 450, April 8, 2003.
-
(5) - FOGARTY (J.), FOGARTY (D.), RAUWENDAAL (Ch.) - Improved foam extrusion output rates through the use of unique flight channel geometry - http://www.turboscrews.com
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Polymères alvéolaires – Présentation et propriétés
-
Extrusion de feuilles – plaques
ANNEXES
Welsh, G.C., and. al., U.S. Patent 6, 544, 450, April 8, 2003 / Process for producing thermoforming foam sheet using a physical blowing agent. Brevet Dow (original).
CO2RE Foaming Technology. Brevet Styron
HAUT DE PAGE
Rauwendaal http://www.rauwendaal.com
Turbo-Screws http://www.turboscrews.com
Styron http://www.styron.com
Mucell http://www.mucellextrusion.com
Laboratoires DOW Benelux http://www.dow.com/benelux
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