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RÉSUMÉ
Dans le domaine du mélange en continu, l’extrusion bivis est parfois concurrencée par l’utilisation de co-malaxeurs, qui sont des extrudeuses monovis dotées d’une cinématique et d’une géométrie très particulières. Dans cet article, la configuration d’un co-malaxeur sera présentée en détail. Son mode de fonctionnement (cinématique de la vis, rôle des doigts de malaxage, mode d’écoulement, etc.) sera ensuite explicité. L’influence des paramètres opératoires sur la température, le taux de remplissage et les temps de séjour sera alors décrite, avant d’introduire quelques aspects concernant la modélisation des écoulements dans ces extrudeuses particulières.
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In the field of continuous mixing, twin-screw extrusion sometimes faces competition from the use of co-kneaders, which are single-screw extruders but with very special kinematics and geometry. In this article, the configuration of a co-kneader will be first presented in details, explaining its operating mode (kinematics of the screw, role of the mixing pins, flow conditions, etc.). The influence of the processing parameters on temperature, filling ratio and residence time will then be discussed, before introducing some aspects concerning the modeling of flow in these particular extruders.
Auteur(s)
-
Lucas SARDO : Docteur en Mécanique numérique et Matériaux de PSL Research University - Sciences Computers Consultants, Sophia-Antipolis, France
-
Bruno VERGNES : Conseiller scientifique - CEMEF, MINES ParisTech, Sophia-Antipolis, France
INTRODUCTION
Chaque jour, de nouveaux matériaux polymères sont créés pour répondre à des besoins de plus en plus spécifiques, tels que des matériaux allégés, plus résistants, ignifuges, antistatiques et qui respectent les nouvelles normes environnementales. Ces matériaux complexes nécessitent des outils de mélange efficaces, permettant une fabrication contrôlée et compétitive. Parmi les procédés de mélange en continu, les extrudeuses bivis sont très utilisées, mais les co-malaxeurs tiennent aussi une place importante. Un co-malaxeur est une extrudeuse monovis modulaire, animée d’un double mouvement de rotation et d’oscillation d’avant en arrière. Les filets de la vis sont interrompus de place en place et des doigts de malaxage sont fixés sur le fourreau. La cinématique mise en jeu permet à ces doigts de balayer les chenaux de vis en passant à travers les interruptions de filets, ce qui provoque un mélange très efficace, tout en ayant des taux de cisaillement en moyenne relativement faibles, induisant peu d’échauffement. Les co-malaxeurs sont donc généralement utilisés dans le cas de polymères thermosensibles, comme le PVC, ou lorsque des taux de charge importants sont nécessaires.
Dans cet article, nous allons d’abord présenter en détail la configuration d’un co-malaxeur, en explicitant son mode de fonctionnement, très différent de celui d’une extrudeuse monovis classique. On s’intéressera à la cinématique de la vis, au rôle des doigts de malaxage, aux modes d’écoulement, etc. L’influence des paramètres opératoires sera ensuite abordée, avant d’introduire quelques aspects concernant la modélisation des écoulements dans ces extrudeuses particulières.
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KEYWORDS
extrusion | mixing | single-screw extruders | flow modeling
DOI (Digital Object Identifier)
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Glossaire
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5. Conclusion
Le co-malaxeur a fait ses preuves depuis longtemps en tant qu’excellent outil de mélange, aussi bien sur le plan dispersif que sur le plan distributif. Ces qualités sont dues à son mode de fonctionnement très particulier, qui permet aux doigts de malaxage fixés sur le fourreau de parcourir les chenaux de vis et, grâce aux interruptions de filet, d’effectuer de nombreuses séparations et recombinaisons de flux, associées à des taux de cisaillement locaux importants. Bien qu’ayant donné lieu à beaucoup moins d’études scientifiques que les autres procédés d’extrusion, son mode de fonctionnement est maintenant bien compris et, malgré certaines lacunes résiduelles, des modèles plus ou moins sophistiqués ont été développés pour aider à son utilisation optimale. Par contre, il n’existe à notre connaissance aucun logiciel commercial dédié au co-malaxeur, à l’inverse de ce qui existe par exemple en extrusion bivis.
D’un point de vue technique, les évolutions récentes ont concerné l’apparition d’éléments de mélange à quatre interruptions de filet au lieu de trois, ce qui permettrait en théorie d’utiliser des vitesses supérieures et, à taille de machine identique, d’aller vers des débits plus élevés. Le constructeur B&P Littleford a proposé une machine appelée « TriVolution », fondée sur le même principe de fonctionnement mais avec trois allers-retours par rotation. Les éléments de mélange ont alors jusqu’à douze interruptions de filet et douze rangées de doigts de malaxage (figure 30). Aux dires du constructeur, cela permet de multiplier les séparations/recombinaisons de flux et donc d’augmenter les capacités de mélange (essentiellement distributif), ce qui autorise des débits plus élevés à des vitesses plus faibles. De même, avec la gamme Compeo, Buss AG a récemment commercialisé une nouvelle évolution de son co-malaxeur, avec des éléments de mélange comportant deux à six ailettes et permettant d’obtenir des débits plus importants à des vitesses de rotation 20 % plus faibles. L’extrudeuse de reprise est alors une extrudeuse bivis contrarotative conique, assurant une excellente capacité de pompage.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MONCHATRE (B.) - Contribution à l’étude expérimentale d’un outil de mélange de type co-malaxeur : application aux polymères. - Thèse de doctorat, Université Jean Monnet, Saint-Étienne (2015).
-
(2) - BRITO BAZAN (M.M.) - Mixing Studies in a Co-Kneader. - Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal (2011).
-
(3) - SARDO (L.) - Modélisation et simulation numérique de la thermomécanique des écoulements dans les co-malaxeurs. - Thèse de doctorat, Université de recherche Paris Sciences et Lettres (2016).
-
(4) - LYU (M.-Y.), WHITE (J.L.) - * - . – Polym. Eng. Sci., 38, p. 1366 (1998).
-
(5) - SHON (K.), LYU (M.-Y.), WHITE (J.L.) - * - . – Intern. Polym. Proc., 20, p. 322 (2005).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
BUSS AG Hohenrainstrasse 10, 4133 Pratteln, Suisse
B&P Littleford 1000 Hess Avenue, Saginaw, Michigan 48601, États-Unis
X-Compound Hardmatt 932, 5082 Kaisten, Suisse
Xinda No. 3-1, Huandong Road, Xiake Town, Jiangyin City, Chine
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