Modèles d’écoulement
Fonctionnement et utilisation des micro-compoundeurs

AM3637 v1 Article de référence

Modèles d’écoulement
Fonctionnement et utilisation des micro-compoundeurs

Auteur(s) : Bruno VERGNES

Date de publication : 10 juil. 2023 | Read in English

Cet article est réservé aux abonnés

Pour explorer cet article plus en profondeur Consulter l'extrait gratuit

Déjà abonné ?Se connecter

Présentation

1 - Présentation générale

1.1 - Principe de base
1.2 - Gamme de machines

Tableau 1
1.3 - Exemples d’utilisation
- Quiz d'entraînement

2 - Géométrie et mode de fonctionnement

2.1 - Configuration générale et géométrie des vis

Tableau 2 Tableau 3
2.2 - Modes de fonctionnement
- Quiz d'entraînement

3 - Résultats expérimentaux

3.1 - Pression, débit et température
3.2 - Couple et énergie spécifique
3.3 - Taux de remplissage et temps de séjour
- Quiz d'entraînement

4 - Modèles d’écoulement

4.1 - Canal de recirculation
4.2 - Modèle corotatif
4.3 - Modèle contrarotatif
- Quiz d'entraînement

5 - Conclusion

6 - Glossaire

7 - Sigles, notations et symboles

Bibliographie & annexes

Présentation

RÉSUMÉ

Les micro-compoundeurs sont composés d'une extrudeuse bivis conique de petites dimensions, couplée à un canal de recirculation, dans lequel quelques grammes de matériau peuvent être traités pendant un temps donné, avant d'être purgés. Les conditions d'écoulement à l'intérieur de ces machines ne sont pas toujours bien connues, ce qui rend parfois difficile une utilisation optimale et une interprétation correcte des résultats. Dans cet article, le mode de fonctionnement des micro-compoundeurs est explicité. Des résultats expérimentaux et des modèles d’écoulement sont présentés, pour permettre au lecteur de mieux appréhender ce procédé et comprendre les influences de ses principaux paramètres.

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

Lire l’article

Auteur(s)

Bruno VERGNES : Docteur ès Sciences - Conseiller scientifique - CEMEF, Mines Paris – PSL, Sophia Antipolis, France

INTRODUCTION

Le mélange et le compoundage constituent une partie essentielle de l'industrie des polymères. Au niveau industriel, ces opérations sont généralement réalisées à l'aide d'extrudeuses bivis, capables de fournir des débits allant jusqu'à des dizaines de tonnes par heure. Cependant, pour développer un produit à l'échelle du laboratoire, des machines plus petites sont nécessaires. Des extrudeuses bivis d'un diamètre minimal de 11 mm sont désormais disponibles sur le marché, permettant selon les constructeurs d’atteindre des débits de 20 g/h. Cependant, pour des matériaux coûteux ou disponibles en très faibles quantités, des débits de quelques grammes par heure seraient souhaitables, au moins pour définir des formulations appropriées. C'est pourquoi, à la fin des années 1990, une nouvelle catégorie de machines est apparue, les micro-compoundeurs. Ils sont fondés sur la même idée : coupler une extrudeuse bivis de petite taille (co- ou contrarotative) avec un canal de recirculation. Le matériau peut ainsi être traité durant le temps nécessaire à son élaboration, mais dans des conditions réelles d'extrusion. Une fois ce traitement thermomécanique réalisé, une vanne permet de purger la matière en l'extrudant à travers une filière. Sur certaines machines, la conception du canal de recirculation permet également de déduire une viscosité apparente à partir de la mesure de la perte de charge locale.

Les micro-compoundeurs sont essentiellement utilisés dans des laboratoires ou des unités de recherche et développement (R&D). Cependant, malgré une utilisation croissante, leur fonctionnement demeure imparfaitement connu et il existe peu de données bibliographiques sur le procédé lui-même. Dans cet article, après avoir explicité les principes de base du fonctionnement des micro-compoundeurs, nous décrirons en détail leur géométrie, aussi bien en configuration co- que contrarotative, puis nous présenterons un certain nombre de résultats expérimentaux. Nous introduirons ensuite quelques notions de modélisation des écoulements et montrerons les résultats pratiques que ces modèles permettent d’obtenir.

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 94 % à découvrir.

Pour explorer cet article Consulter l'extrait gratuit

Déjà abonné ? Se connecter

MOTS-CLÉS

polymères mélange extrusion bivis modèles d'écoulement

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-am3637

Lecture en cours
Présentation

Page
suivante

Conclusion

Article inclus dans l'offre

"Plastiques et composites"

(401 articles)

Une base complète d’articles

Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques.

Des contenus enrichis

Quiz, médias, tableaux, formules, vidéos, etc.

Des modules pratiques

Opérationnels et didactiques, pour garantir l'acquisition des compétences transverses.

Des avantages inclus

Un ensemble de services exclusifs en complément des ressources.

Voir l'offre

4. Modèles d’écoulement

Pour mieux appréhender le fonctionnement des micro-compoundeurs et fournir une aide aux utilisateurs afin d’optimiser leurs conditions d’utilisation, il est utile de développer des modèles numériques des écoulements. Cela peut se faire à plusieurs niveaux, des approches analytiques très simplifiées aux calculs 3D par éléments finis. Nous nous limiterons par la suite aux approches simplifiées, plus faciles à utiliser en pratique. Une fois de plus, on illustre le cas du MiniLab de ThermoFisher, mais les calculs sont bien sûr directement transposables à d’autres géométries. L’écoulement dans le canal de recirculation est commun aux deux configurations co- ou contrarotative, mais les écoulements dans les vis diffèrent bien sûr suivant la configuration.

4.1 Canal de recirculation

Comme on peut le voir sur la figure 18, ce canal peut être divisé en quatre zones dont les dimensions sont différentes. Chaque zone, de longueur l _i, a une section rectangulaire, avec une largeur w _i et une épaisseur h _i. En entrée et sortie de la zone 3, où se situent les capteurs de pression, se trouvent deux courtes zones divergente/convergente de 5 mm de long, que l’on pourra négliger en première approximation.

L’écoulement dans le canal est donc une succession d’écoulements dans des canaux parallélépipédiques. En supposant dans un premier temps un comportement newtonien et isotherme (on a vu que cette dernière hypothèse était pleinement justifiée) et en négligeant les effets de bord, on peut calculer aisément dans chaque zone le taux de cisaillement $\dot{γ}$ , la perte de charge ΔP et le temps de séjour moyen $\bar{t}$ ...

Cet article est réservé aux abonnés.
Il vous reste 93 % à découvrir.