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RÉSUMÉ
Cet article se propose de faire le point sur le procédé de coextrusion multi-nanocouche, qui permet de combiner deux (voire plus) polymères sous la forme d’un nombre élevé de couches fines alternées. Les différentes approches possibles pour fabriquer et caractériser de telles structures multi-nanocouches, ainsi que les différents outils commerciaux existants, sont présentés. Enfin, il est montré que cette nanostratification peut conduire, dans certains cas, à des améliorations de propriétés découlant de phénomènes de confinement et/ou interfaciaux.
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Cyrille SOLLOGOUB : Docteur de l’École des Mines de Paris - Maître de Conférences au Conservatoire National des Arts Métiers (CNAM) - Chercheur au Laboratoire Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux (PIMM), UMR Arts et Métiers ParisTech, CNRS, CNAM
INTRODUCTION
La coextrusion est un procédé largement utilisé dans l’industrie qui consiste à combiner avantageusement les propriétés de plusieurs polymères en les associant sous forme de couches superposées. Dans ce procédé de coextrusion conventionnel, le nombre de couches de l’objet final (films, plaques, feuilles, profilés, tubes) est compris entre 2 et 11. Une évolution de ce procédé consiste à utiliser des dispositifs permettant une augmentation considérable des couches, leur nombre pouvant alors atteindre quelques centaines voire milliers de couches. Pour une composition donnée et une épaisseur de l’objet final fixée, une augmentation du nombre de couches s’accompagne d’une réduction de leur épaisseur qui peut atteindre théoriquement, lorsque le nombre de couches est très élevé, l’échelle nanométrique.
Des travaux ont montré que le film multi-nanocouche ainsi formé peut présenter des propriétés finales remarquables, engendrées par des phénomènes de confinement et/ou interfaciaux. Il peut donc y avoir un intérêt majeur à atteindre l’échelle nanométrique pour l’épaisseur de ces couches. Ce procédé, issu du monde industriel puis largement étudié dans le milieu académique depuis plusieurs décennies, commence à donner lieu à des applications industrielles. Les propriétés améliorées qui découlent de cette structure multicouche offrent en effet des potentialités intéressantes pour la fabrication de matériaux innovants à propriétés spécifiques et devant répondre à un cahier des charges de plus en plus strict. Le but de cet article consiste à présenter l’intérêt des structures multi-nanocouches et le principe des dispositifs permettant leur fabrication. On s’attachera à montrer les potentialités du procédé en termes d’amélioration de propriétés ainsi que ses limites.
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1. Approches pour la fabrication des systèmes multi-nanocouches
1.1 Intérêt des structures multi-nanocouches
La meilleure façon de mettre en évidence l’intérêt d’une structure multi-nanocouche pour les propriétés d’un matériau est d’observer les matériaux naturels qui offrent souvent des structures complexes mais élégantes et intelligentes, illustrant à merveille l’idée d’adaptation de la structure d’un objet à sa fonction.
La nacre est constituée, comme le montrent les images de la figure 1, d’une alternance de couches d’aragonite (composé inorganique CaCO3) d’environ 500 nm d’épaisseur et de couches d’un biopolymère organique de quelques dizaines de nanomètres d’épaisseur. Bien que composée à 95 % en volume d’aragonite, la nacre possède une ténacité 3 000 fois supérieure à l’aragonite monolithique tout en conservant une forte rigidité. De plus, cette structure multicouche lui confère des propriétés optiques d’iridescence. Les nombreuses études expérimentales et de modélisation portant sur la nacre ont montré que ces propriétés remarquables étaient le résultat de plusieurs phénomènes, découlant de la combinaison d’effets d’échelle (liés à la réduction d’épaisseur), multi-échelle (plusieurs mécanismes à différentes échelles) et interfaciaux (adhésion, glissement, concentration de contrainte…).
Cet exemple illustre bien les potentialités en termes de synergie qu’offre une telle structure multi-nanocouche, hiérarchique, multi-échelle, et dans ce cas précis, composite.
HAUT DE PAGE1.2 Approches pour fabriquer des structures multicouches
Les techniques développées par les chimistes permettant la fabrication de systèmes multicouches nanostratifiés, comme la technique couche-par-couche (layer-by-layer deposition), sont peu adaptées à une production à grande échelle. Une approche plus facilement transposable à l’industrie consiste à utiliser le procédé de coextrusion. Ce procédé permet de combiner, en une seule étape, plusieurs polymères (de deux jusqu’à...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SCHRENK (W.J.) - Method for Multilayer Coextrusion, - U.S. Pat. # 3773882 (1973).
-
(2) - TOLLAR (J.E.) - Interfacial surface generator, - U.S. Pat. # 3239197 (1966).
-
(3) - SCHRENK (W.J.), SHASTRI (R.K.), AYERS (R.E.) - Interfacial surface generator, - U.S. Patent # 5094788 (1992).
-
(4) - Technologie de Multiplication des Couches (TMC) de EDI® - * - (Source : http://www.nordson.com/fr-FR/divisions/polymer-processing-systems/products/feedblocks-co-extrusion/layer-multiplication-technology-lmt).
-
(5) - DOOLEY (J.), ROBACKI (J.), JENKINS (S.), WRISLEY (R.), LEE (P.C.) - Development of Microlayer Blown Film Technology by Combining Film Die and Layer Multiplication Concepts, - Polymer Engineering & Science, 56 (5) : p. 598-604 (2016).
-
(6) - SCHIRMER (H.G.) - Layer...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Extrusion de film à plat : cast film.
-
Coextrusion de feuilles et plaques.
ANNEXES
Filière NanolayerTM de Cloeren Incorporated :
Technologie de multiplication des couches EDI :
HAUT DE PAGE
Sluijters, R., Mixing Apparatus. 1962. US 3051453.
Tollar, J.E., Interfacial surface generator. 1966. US 3239197 A.
Schrenk, W. J., Method for Multilayer Coextrusion, US 3773882.
Schrenk W.J., Shastri R.K., Ayres R.F.., Gosen D.J., Interfacial surface generator, US 5094788 A.
Cloeren P.F., Method and apparatus for orienting layers in multilayered composites, EP 1507641 A1.
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