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Article

1 - PHÉNOMÉNOLOGIE DES INSTABILITÉS DE COEXTRUSION

2 - RHÉOLOGIE ET MODÉLISATION DE L’ÉCOULEMENT DE BASE

3 - MODÉLISATION DES INSTABILITÉS D’INTERFACE

4 - PRÉVENTION DES INSTABILITÉS D’INTERFACE

  • 4.1 - Paramètres procédé et dimensionnement des outillages
  • 4.2 - Optimisation des propriétés rhéologiques et interfaciales

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : AM3661 v1

Phénoménologie des instabilités de coextrusion
Coextrusion des polymères : instabilités d’interface

Auteur(s) : Rudy VALETTE

Date de publication : 10 janv. 2010

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RÉSUMÉ

Dans cet article sont mises en avant les instabilités d'interface dans le procédé de coextrusion des polymères. Cette instabilité est de nature convective, c'est-à-dire que les petites perturbations dans l'écoulement sont amplifiées et transportées dans la direction d'écoulement. Une modélisation par stabilité linéaire, qui permet de prédire la stabilité d'écoulements simples (plans, isothermes), est ensuite présentée. Pour finir, les cas de géométries complexes, d'écoulements non isothermes et de polymères réactifs sont également abordés.

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Auteur(s)

  • Rudy VALETTE : Maître-assistant à l’École nationale supérieure des mines de Paris, - Centre de mise en forme des matériaux – Mines-ParisTech – UMR CNRS 7635

INTRODUCTION

L'extrusion est le procédé de mise en forme des thermoplastiques le plus utilisé. Ses applications couvrent un large domaine allant de la fabrication de films à la réalisation de profilés. Lorsque l'on extrude simultanément dans une même filière plusieurs fluides à partir de plusieurs extrudeuses, on parle de coextrusion : on réalise un écoulement multimatière et le produit obtenu en sortie de filière est dit multicouche.

L'intérêt d'un tel procédé est qu'il permet de conférer au produit les propriétés spécifiques de chacune des couches qui le composent. Associer ainsi les qualités des différents polymères permet de réaliser un gain de matière important (donc réduire le coût et/ou le poids) par rapport au produit monocouche présentant les mêmes caractéristiques.

On observe en général trois types de défauts sur le produit solidifié :

  • une mauvaise adhésion entre les couches ;

  • une mauvaise répartition des produits dans le sens transverse à l’écoulement due au contournement d'un produit par un autre (phénomène d'enrobage) ;

  • une irrégularité de l'interface, qui présente un aspect allant de l'oscillant au chaotique.

La variation d'épaisseur des différentes couches altère les propriétés esthétiques ou optiques du produit. Si l'une des interfaces disparaît localement, le produit peut aussi perdre ses propriétés barrières et devenir inutilisable.

Ces irrégularités sont la conséquence d'instabilités d’interface qui se développent dans la partie finale de la filière, où les différents polymères fondus s’écoulent ensemble sous forme stratifiée.

Ce dossier propose de décrire la nature convective de l’instabilité d’interface en coextrusion, l’écoulement stratifié transportant et amplifiant (ou atténuant, dans les cas stables) des perturbations intrinsèques au procédé qui apparaîtront comme plus ou moins visibles en sortie de filière.

Une modélisation de ce type de défaut est ensuite proposée, montrant le rôle déterminant du comportement viscoélastique des matériaux coextrudés. L’accent est mis sur l’analyse de stabilité linéaire du cas bicouche plan isotherme de polymères immiscibles, puis des extensions à des cas plus complexes sont proposées.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-am3661


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1. Phénoménologie des instabilités de coextrusion

1.1 Différents procédés de coextrusion

Dans le procédé de coextrusion, chaque produit est débité par une extrudeuse. On distingue deux grands types de procédés de coextrusion par la technologie utilisée (cf. dossier [AM 3 659] Coextrusion de feuilles et plaques) :

  • le procédé à bloc de répartition (figure 1 a et b ), où les polymères sont rassemblés dans une boîte de coextrusion avant d'être répartis dans la même filière ;

  • le procédé multicanal (figure 1 c ), où plusieurs filières distribuent chacune un polymère et ont une partie finale commune.

La forme du produit obtenu peut être plane ou circulaire.

On note x la direction de l’écoulement, y la direction dans la hauteur d’écoulement et z la direction transverse (ou orthoradiale dans le cas circulaire).

HAUT DE PAGE

1.2 Défauts d'interface

La première étude expérimentale d'instabilités d'interface dans le procédé de coextrusion bicouche est due à Lee et White . Les auteurs ont montré que, pour certaines conditions opératoires, il apparaît une transition stable/instable dans le procédé.

Cette instabilité est caractérisée sur l’extrudat par un défaut plus ou moins périodique se présentant sous la forme de « vagues » à l'interface entre les deux produits (voir l’exemple d’un couple polyéthylène/polystyrène,...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - LEE (B.L.), WHITE (J.L.) -   *  -  . – Trans. Soc. Rheol. (18) (1974).

  • (2) - HAN (C.D.), KIM (Y.J.), CHIN (H.B.) -   *  -  . – Polym. Eng. Rev. (4) (1984).

  • (3) - WILSON (G.M.), KHOMAMI (B.) -   *  -  . – J. Non-Newt. Fluid Mech. (45) (1992).

  • (4) - CHAIGNEAU (R.) -   Thèse de Doctorat  -  Institut National Polytechnique de Grenoble (1995).

  • (5) - VALETTE (R.), LAURE (P.), DEMAY (Y.), AGASSANT (J.-F.) -   *  -  . – Intern. Polym. Proc. (XIX) (2004).

  • (6) - YIH (C.S.) -   *  -  . – J. Fluid Mech. (27) (1967).

  • (7) - VALETTE (R.), LAURE (P.), DEMAY (Y.), AGASSANT (J.-F.) -   *  -  ....

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