Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
L'objectif permanent de réduction de poids conduit naturellement à fabriquer un emballage thermoformé à partir d'une feuille extrudée en polymère allégé, dont la structure, constituée de bulles microscopiques incrustées dans la matrice de polymère, permet de conserver un niveau de propriétés mécaniques suffisant. Sont décrits dans l'article les principes classiques d'un processus d'expansion (nucléation, gonflement, stabilisation), ainsi que les deux technologies (voie chimique et voie physique) qui permettent d'obtenir une feuille en polymère allégé. Les points communs et les différences qui caractérisent ces deux technologies sont abordés, et les modifications à apporter sur une ligne d'extrusion monovis classique, pour qu'elle puisse supporter leur mise en oeuvre, sont listées.
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The continuous weight reduction trend in packaging leads to the use of a high density foamed sheet for the making of thermoformed items the achieved structure, which is based on imbedded microscopic bubbles within the core of the sheet, allows for maintaining sufficient mechanical properties of the end product. In this article, the classical principles of an expansion process (nucleation, cells growth and stabilisation) are reviewed, as well as the two technologies that lead to manufacturing a high density foamed sheet. Both technologies are examined through their commonalities and differences. We also depict the modifications to bring in an existing single screw sheet extrusion line to allow for their implementation.
Auteur(s)
-
Rudi SALMANG : Spécialiste principal de recherche et développement - Laboratoires DOW Benelux,Terneuzen, Pays-Bas
-
Francis PINSOLLE : Ingénieur ENSEM (Nancy) - Master of sciences (University of Philadelphia, USA) - Institut d'administration des entreprises IAE (Aix en Provence)
INTRODUCTION
La technologie d'expansion des polymères a donné naissance à toute une gamme de produits que l'on désigne sous le vocable de mousses de polymères.
Selon leur densité relative (rapport entre la masse volumique de la mousse et celle du polymère utilisé), on distingue :
-
les mousses « basse densité » BD dont la densité relative est inférieure à 0,20 ;
-
les mousses « haute densité » HD, dont la densité relative est supérieure à 0,70 ;
-
et, entre ces deux limites, les mousses « moyenne densité » (MD).
Les mousses BD et MD sont présentes sur le marché depuis plusieurs décennies. Mais ce sont les mousses BD qui sont largement les plus répandues : elles constituent un produit pas cher et facile de manipulation, ayant en prime la particularité d'être ultraléger et antichoc tout en conservant une bonne rigidité.
Les mousses HD sont plus récentes. On parle de polymères allégés, par opposition aux polymères expansés pour les mousses BD et MD.
C'est à partir du milieu des années 2000 que les polymères allégés connaissent un rapide développement. Pièces injectées pour l'automobile, emballages thermoformés, toutes ces applications industrielles sont en croissance, l'allégement étant source de gain de poids tout en permettant de conserver à ces pièces des qualités mécaniques suffisantes.
Cet article est consacré à la feuille expansée destinée au thermoformage pour l'industrie de l'emballage, application dont le polystyrène est le polymère de référence. C'est pourquoi les principes et mécanismes généraux sont abordés pour ce polymère, mais ces principes ne sont pas réservés au polystyrène et s'appliquent aussi à la plupart des autres matières plastiques qui sont utilisées dans l'industrie pour fabriquer des mousses.
Les produits allégés sont présentés en décrivant les similitudes et les différences avec les mousses. Cette analyse comparative est déclinée dans chaque paragraphe de cet article.
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KEYWORDS
state of art | foaming | single screw extrusion | tandem extrusion
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Présentation
Procédés de mise en forme
En anglais
3. Mécanismes
Le processus d'expansion peut être modélisé en trois étapes :
-
initiation du processus de formation des bulles : nucléation ;
-
croissance des bulles : gonflement ;
-
stabilisation de la structure.
3.1 Nucléation
Il existe deux mécanismes de nucléation :
-
la nucléation homogène ou auto-nucléation qui conduit à l'apparition de microbulles aléatoirement réparties dans une matrice pure et parfaitement homogène ;
-
la nucléation hétérogène – hétérogène parce qu'intervenant dans une matrice constituée de plusieurs phases – qui permet de mieux « contrôler » la répartition des microbulles :
-
les sites de germination apparaissent préférentiellement à l'interface entre deux phases,
-
l'énergie libre mise en œuvre pour créer une bulle est moindre que pour la nucléation homogène (figure 5).
-
C'est ce deuxième mécanisme qui prévaut lors de la fabrication d'une mousse de polymère.
La matrice de polymère est « naturellement » multiphase du fait des corps étrangers – résidus d'additifs ou de pigments de coloration – et autres microporosités – traces d'air ou d'humidité non éliminées par le dégazage – qu'elle contient. La concentration et la répartition de ces sites potentiels de germination sont toutefois insuffisantes pour assurer une nucléation efficace.
On est donc conduit à joindre aux granulés de polymère des additifs constitués de particules minérales solides très fines, et à mettre en œuvre un processus de transformation qui les disperse et les distribue de façon homogène dans la matrice de polymère fondu : cela constitue un premier facteur clé pour l'obtention de bulles qui soient statistiquement parfaitement réparties (taille et distribution).
La germination des bulles s'opère dans les crevasses microscopiques qui jalonnent les interfaces matière fondue-particules.
Certains oxydes métalliques sont des exemples de ce type d'agent nucléant passif.
On utilise aussi des agents nucléants chimiques dont la décomposition, exothermique, crée des points chauds et donne naissance à des microcavités qui constituent...
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Mécanismes
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ZHANG (H.) - Scale-Up of Extrusion Foaming Process for Manufacture of Polystyrene Foams Using Carbon Dioxide. - Graduate Department of Mechanical and Industrial Engineering, University of Toronto http://tspace.library.utoronto.ca
-
(2) - JULIEN (J.M.) - Développement de polymères et composites alvéolaires biosourcés à base de PLA (Poly Acide Lactique) - . Thèse de Doctorat 40548, Université de Lille 1, Sciences et Techniques. Jean Mario Julien http://hal.archives-ouvertes.fr
-
(3) - MEGALLY (A.), SALMANG (R.) - Process for producing thermoforming foam sheet using a physical blowing agent - . The Dow Chemical Company, Terneuzen, the Nederlands http://archivos.labcontrol.cl
-
(4) - WELSH (G.C.), and. al. - Process for producing thermoforming foam sheet using a physical blowing agent. - U.S. Patent 6, 544, 450, April 8, 2003.
-
(5) - FOGARTY (J.), FOGARTY (D.), RAUWENDAAL (Ch.) - Improved foam extrusion output rates through the use of unique flight channel geometry - http://www.turboscrews.com
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Polymères alvéolaires – Présentation et propriétés
-
Extrusion de feuilles – plaques
ANNEXES
Welsh, G.C., and. al., U.S. Patent 6, 544, 450, April 8, 2003 / Process for producing thermoforming foam sheet using a physical blowing agent. Brevet Dow (original).
CO2RE Foaming Technology. Brevet Styron
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Rauwendaal http://www.rauwendaal.com
Turbo-Screws http://www.turboscrews.com
Styron http://www.styron.com
Mucell http://www.mucellextrusion.com
Laboratoires DOW Benelux http://www.dow.com/benelux
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