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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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Lire l’articleAuteur(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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2. Produits cibles
Le marché global des mousses est pour une moitié constitué de mousses de polyuréthane PUR. La deuxième moitié est dominée par les mousses PS (25 %) et les mousses PE (12,5 %) ; viennent ensuite les mousses PP, puis PVC, le reste étant constitué de mousses d'autres polymères tels que PMMA, PET, PLA, ABS, PC, PTFE, etc.
Plusieurs critères peuvent être appliqués pour différencier les mousses :
-
leur légèreté, caractérisée par la densité relative
d = ρ mousse / ρ polymère
avec :
- ρ :
- masse volumique ;
une mousse basse densité BD a une densité relative comprise entre 0,10 et 0,20 ; pour une mousse haute densité HD, la densité relative est comprise entre 0,70 et 0,90 ; entre les deux, c'est le domaine des mousses de moyenne densité MD ;
-
leur nature, caractérisée par le comportement en compression :
-
une mousse souple se déforme de façon réversible,
-
une mousse qui se déforme de façon irréversible est dite semi-rigide ou rigide selon que sa déformation rémanente en compression est inférieure ou supérieure à 10 % ;
-
-
les taille et distribution des cellules : mousse normale, fine ou microcellulaire ;
-
leur structure : cellules ouvertes, cellules fermées, dont les pourcentages respectifs sont déterminés par un test d'étanchéité consistant en une mesure d'absorption d'eau.
Les mousses BD représentent 90 % du marché. Les mousses HD représentent la majeure partie des 10 % restants, les mousses MD n'ayant qu'un nombre limité d'applications.
2.1 Mousses BD
Le marché final est déterminant pour le choix d'une mousse BD, l'application requérant le plus souvent la combinaison de plusieurs propriétés fonctionnelles. Typiquement, les fonctionnalités recherchées et les marchés adressés sont les suivants :
-
amortissement des chocs : emballages (mousses de protection), tapis de sport, chaussures, boîtes à œufs ;
-
barquettes (emballage alimentaire) ;
-
mousses de confort : ameublement, automobile ;
-
amortissement et isolation...
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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
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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