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RÉSUMÉ
Dans cet article, les concepts généraux du développement de structures sont illustrés par quatre exemples, qui correspondent à des influences différentes des paramètres de mise en forme sur la microstructure. Dans l'extrusion de film à plat, la cristallisation se produit après cessation de l'écoulement. Au contraire, dans le filage ou le soufflage de gaine, elle se produit pendant l'écoulement. Dans le procédé d'injection, des situations très différentes sont rencontrées en fonction de la localisation à l'intérieur de la pièce.
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Jean-Marc HAUDIN : Ingénieur civil des Mines - Docteur ès sciences - Professeur à MINES ParisTech
INTRODUCTION
Le développement des structures, dont les concepts généraux ont fait l’objet de l’article [AM3120], est un domaine de plus en plus important dans la mise en forme des polymères, dans le but de maîtriser les propriétés finales des produits. Par développement de structures, on désigne, au sens large, l’ensemble des phénomènes se produisant lors de la transition entre le polymère fondu initial et l’état final très souvent semi-cristallin, ce qui inclut :
-
la cristallisation, qui se produit dans des conditions complexes sur le plan géométrique (parois des outillages,) mécanique (écoulement, pression) et thermique (vitesses de refroidissement, gradients thermiques) ;
-
l’orientation ; de l’orientation de la phase fondue à l’orientation finale des phases amorphe et cristalline.
Les nombreux résultats expérimentaux obtenus dans des expériences de laboratoire, la caractérisation des produits finis ou des mesures en ligne permettent de proposer une description générale de la cristallisation des polymères dans les procédés de mise en forme. Les concepts généraux ainsi dégagés dans l’article [AM3120] sont appliqués dans cet article à quatre procédés, qui correspondent à des influences différentes des paramètres de mise en forme sur la microstructure. Ainsi, dans l’extrusion de film à plat, la cristallisation se produit après cessation de l’écoulement. Au contraire, dans le filage ou le soufflage de gaine, elle se produit pendant l’écoulement. Dans le procédé d'injection, des situations très différentes sont rencontrées en fonction de la localisation à l’intérieur de la pièce.
La simulation numérique est un outil efficace pour interpréter et prédire les phénomènes couplés intervenant dans le développement de structures. Elle passe par l’introduction d’une loi de cristallisation dans un modèle thermomécanique du procédé. L’exemple présenté ici concerne l’extrusion de film à plat.
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6. Glossaire – Définitions
Biréfringence ; birefringence
Différence des indices de réfraction selon deux directions perpendiculaires déterminées.
Biréfringence d’un sphérolite ; spherulite birefringence
Différence des indices de réfraction selon le rayon du sphérolite et perpendiculairement au rayon.
Calorimétrie différentielle à balayage ; Differential Scanning Calorimetry
La calorimétrie différentielle à balayage, plus communément désignée sous l’acronyme DSC pour Differential Scanning Calorimetry, est une technique de calorimétrie qui mesure les échanges de flux de chaleur entre une capsule de référence vide et une capsule de géométrie identique contenant l’échantillon, lors d’un programme de température imposé. Ainsi, l’énergie libérée ou absorbée au cours d’une transition est mise en évidence.
Cinétique globale de cristallisation ; overall crystallization kinetics
Description de l’avancement de la cristallisation par une grandeur comprise entre 0 et 1. Dans cet article, il s’agit de la fraction volumique transformée en entités semi-cristallines, telles que les sphérolites.
Cristallisation ; crystallization
Transition thermodynamique du liquide vers le cristal.
Cylindrite ; row-nucleated structure
Agencement spatial tridimensionnel de lamelles cristallines en alternance avec de la phase amorphe, de géométrie globalement cylindrique. On les désigne aussi sous le nom de modèles de Keller-Machin (KM) ou de shish-kebabs. On distingue deux modèles : à lamelles torsadées (KM I) et à lamelles planes (KM II).
Diffraction des rayons X ; X-ray diffraction
L’interaction d’un faisceau de rayons X avec un cristal produit un certain nombre de faisceaux de rayons X se propageant dans des directions bien déterminées de l’espace, autres que la direction d’incidence : c’est le phénomène de diffraction et les faisceaux correspondants sont les faisceaux diffractés par le cristal. On les appelle aussi communément raies de diffraction.
Le mécanisme de base de la diffraction des rayons X est la réflexion du faisceau incident sur des plans cristallographiques d’une équidistance donnée, plusieurs diffractions d’orientations différentes étant possibles pour une même famille de plans repérée...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - COTTO (D.), DUFFO (P.), HAUDIN (J.M.) - Cast film extrusion of polypropylene films - . Int. Polym. Proc., 4, p. 103-113 (1989).
-
(2) - DUFFO (P.), MONASSE (B.), HAUDIN (J.M.) - Cast film extrusion of polypropylene.Thermomechanical and physical aspects - . J. Polym. Eng., 10, p. 151-229 (1991).
-
(3) - JAY (F.), MONASSE (B.), HAUDIN (J.M.) - Memory Effects in Crystallisation of Polypropylene during Cast Film Extrusion. - Int. J. Forming Processes, 1, p. 75-95 (1998).
-
(4) - LOZANO (T.), LARIA (J.), LAFLEUR (P.G.), SÁNCHEZ-VALDÉS (S.), RODRIGUEZ-GONZÁLEZ (F.), MORALES-CEPEDA (A.B.) - Beta phase in polypropylene induced by shear in a single-screw extruder - . Polym. Eng. Sci., 52, p. 1672-1677 (2012).
-
(5) - DUFFO (P.) - Étude théorique et expérimentale du procédé de fabrication de films minces de polypropylène par extrusion-biétirage - . Thèse de Doctorat, École Nationale Supérieure des Mines de Paris (1990).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Les simulations mentionnées concernent essentiellement des travaux de laboratoire, utilisant souvent des logiciels « maison ». Toutefois, certains travaux ont utilisé des logiciels commerciaux ou ont été financés par des concepteurs de codes, même si ces développements n’ont pas encore été intégrés dans les versions commercialisées. De plus, même si les logiciels commerciaux ne sont pas spécifiquement dédiés au développement de structures, ils peuvent rendre des services estimables en déterminant les conditions mécaniques et thermiques de ce développement de structures. On peut donc citer un certain nombre de logiciels utilisés en mise en forme des polymères :
POLYCAD® Software Suite http://www.polydynamics.com/
ANSYS POLYFLOW http://www.ansys.com/Products/
et spécifiquement en injection
Rem3D® http://www.transvalor.com/fr/
Autodesk®Simulation Moldflow® http://www.autodesk.fr/products/simulation-moldflow/
Cadmould® 3D-F http://www.cadflow.fr
Moldex3D http://www.moldex3d.com/
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