Production simple, rapide et à haut débit de fibres de polymères

Les chercheurs de l’école technique supérieure d’ingénierie de l’université de Séville ont obtenu des fibres et des filaments de polymères à partir de solutions visqueuses d’oxydes de polyéthylène (PEO) passées dans un atomiseur de type « flow-blurring ». Habituellement, ce type d’atomiseur utilise un flux d’air sous pression pour fragmenter des solutions en un spray composé de fines gouttelettes. La manière dont le flux d’air est canalisé et la manière dont est expulsée la solution confère au « flow-blurring » un bon rendement énergétique et une très grande efficacité : gouttelettes jusqu’à 50 fois plus petites que d’autres technologies et capacité à atomiser des solutions d’une large gamme de viscosité. Mais cette fois, l’atomiseur a été utilisé pour créer des filaments de matière. En l’occurrence des filaments de polymères. Dans leur étude parue sur ACS Omega, les chercheurs espagnols ont ainsi testé différentes solutions en faisant varier les poids moléculaires et les concentrations.

Une caméra révèle les filaments

En filmant avec une caméra à haute vitesse (un million d’images par seconde), les chercheurs ont observé que sous certaines conditions, les solutions d’oxyde de polyéthylène (ainsi que d’autres polymères) ne se transformaient pas en gouttelettes mais en fils qui s’étirent à mesure qu’ils s’éloignent de la sortie de l’atomiseur. Comme les oxydes de polyéthylène sont des liquides viscoélastiques, ils s’amincissent par cisaillement et plus ils sont étirés, moins ils sont visqueux et donc plus il est facile de les allonger. Si bien que le diamètre des filaments ainsi créés diminue avec l’éloignement de l’atomiseur. L’atomiseur a fonctionné sur une gamme de pression de 3 à 6 bars. Hormis pour la solution de PEO à 100k, toutes les solutions de différents poids moléculaires testées ont montré qu’il existait un seuil de concentration à partir duquel les gouttelettes devenaient des filaments. Plus le poids moléculaire est haut et plus le seuil est bas. Cette approche décrit un procédé efficace et à haut débit pour la production massive de filaments visqueux. Ceux-ci peuvent ensuite être transformés en fibres par une étape de séchage en ligne.

Une cadence de 3kg/h

Les fibres de polymères font l’objet d’intenses recherches actuellement pour des usages très variés : tissus artificiels biocompatibles, surfaces antibactériennes, matériaux de protection, de renforcement etc. Cette étude apporte ainsi aussi un intérêt industriel, car un simple atomiseur a permis d’atteindre des débits de production élevé, de l’ordre de 3kg/h alors que les débits couramment observés aujourd’hui avec d’autres techniques tournent autour de 1kg/h explique

Luis Modesto López, professeur à l’Université de Séville et un des auteurs de l’étude. Ces travaux ouvrent aussi d’éventuelles nouvelles voies pour l’impression 3D et des perspectives pour la production de matériaux composites.