Bibliographie & annexes
Présentation
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Auteur(s)
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Jérôme BIKARD : Ingénieur de l'École supérieure de mécanique de Marseille (ESM2) - Docteur en Mécanique de l'Université Aix-Marseille II. En charge de recherches au CEMEF (Centre de mise en forme des matériaux) MINES ParisTech – CNRS UMR 7635
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les polyuréthanes, polymères thermodurcissables, occupent une place privilégiée dans l'industrie. Ils résultent de la réaction de polymérisation chimique d'un isocyanate avec des groupements portant un hydrogène mobile (principalement des groupements hydroxyle), par exemple des fonctions alcool. Pour obtenir des matériaux alvéolaires, il faut coupler cette réaction exothermique à un dégagement gazeux (chimique ou physique) qui permet la création d'alvéoles de gaz en surpression au sein du polymère (donc son expansion) tant que le polyuréthane n'est pas complètement polymérisé. Les propriétés finales de la mousse de polyuréthane dépendent des composants chimiques (diphénylméthane diisocyanates DMI ou toluylène diisocyanates TMI), de l'agent gonflant, des conditions du procédé (température, pression, hygrométrie) et de la nature des parements du moule (effet de peau important). Grâce aux développements constants de nouvelles formulations (nouveaux monomères, nouveaux catalyseurs et ajouts d'autres substances), les polyuréthanes sont aujourd'hui fabriqués avec une grande variété de textures et de duretés.
Cependant, du fait de la complexité des couplages thermo-chemio-rhéologiques prenant place lors de la mise en œuvre ainsi que de la géométrie parfois complexe des moules utilisés, le contrôle et l'optimisation des procédés s'avère difficile. Les modèles analytiques que l'on peut trouver dans la littérature sont insuffisants pour rendre compte de la complexité des phénomènes. Du fait de la concomitance des mécanismes (réactions chimiques, évolution rapide et hétérogène de la température, couplages rhéologiques forts, écoulements 3D), seul un modèle incluant tous ces éléments a une chance de décrire ce type de procédé. L'objectif de ce dossier est donc la mise en place, du point de vue de l'ingénieur, d'un protocole systématique d'identification des paramètres thermomécaniques majeurs du polyuréthane alvéolaire ainsi que leur emploi dans un modèle 3D, présenté ici, apte à rendre compte de l'évolution des propriétés d'une mousse polyuréthane au cours du procédé et capable de prédire, au moins en moyenne, la microstructure cellulaire de la mousse.
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Deux cas d'école
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2. Différentes étapes du moussage réactif
Qu'il s'agisse de coulée souple ou de moulage par injection, les réactifs sont mélangés dans la tête d'injection puis injectés. Les réactions démarrent aussitôt – ou avec un temps de retard (induction) – et le mélange déposé par la tête commence à s'expanser et à polymériser d'un point de vue macroscopique.
Du point de vue physique, un certain nombre de phénomènes concomitants, dont les cinétiques sont associées à celles des réactions chimiques, s'opposent ou se conjuguent pour créer la mousse :
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la nucléation de poches de gaz thermodynamiquement stables ;
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la croissance de ces poches de gaz, liée à leur pression interne (fonction de la température et de la réaction de dégagement gazeux, donc fonction des mécanismes de diffusion de gaz dissous dans le mélange et de la perméabilité de l'interface polymère/CO2), à la tension interfaciale et à la viscoélasticité du mélange ;
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la coalescence et le mûrissement d'Ostwald des cellules de gaz (liés à la tension interfaciale, à la viscoélasticité et aux hétérogénéités de pression dans la mousse en cours de formation) ;
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la création d'un réseau macromoléculaire stabilisant la mousse ;
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la diffusion de gaz à l'échelle globale de la mousse (percolation par ouverture des cellules de gaz pour des taux de gaz élevés) pouvant générer l'effondrement de la mousse.
Un certain nombre de mesures en laboratoire permettent de mettre en évidence les évolutions thermo-chemio-rhéologiques de la mousse polyuréthane en cours de fabrication. Citons à titre d'exemple l'observation au microscope, la DSC (figure 2), la rhéométrie ou encore les rayons X.
DSC Differential Scanning Calorimetry.
À partir de mesures DSC, l'évolution de la mousse polyuréthane durant la mise en œuvre peut être décrite selon quatre principales étapes, l'induction, l'expansion, la polymérisation et le mûrissement. Ces quatre étapes chronologiques, dont les frontières sont plus ou moins nettes, correspondent à des évolutions microstructurales et des propriétés rhéologiques différentes.
Il est en effet également possible...
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Différentes étapes du moussage réactif
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOUAYAD (R.), BIKARD (J.), AGASSANT (J.A.) - Compressible flow in a plate/plate rheometer : application to the experimental determination of reactive expansion's models parameters for polyurethane foam - Int. J. of Forming Processes, in revision (2008).
-
(2) - DOI (M.) - Molecular dynamics and rheological properties of concentrated solutions of rodlike polymers in isotropic and liquid crytstalline phases - J. Polym. Sc., 19 (2), 229 (1981).
-
(3) - DOI (M.), OHTA (T.) - Dynamics and rheology of complex interfaces - J. Chem. Phys., 95 (2), 1242 (1991).
-
(4) - WINTER (H.H.) - Can the gel point of a crosslinking polymer be detected by the G′-G′′ crossover - Polym. Eng. Sci., 27, 1698-1702 (1987).
-
(5) - WINTER (H.H.), MORGANELLI (P.) - Chambon, F. stoechiometry effect on rheology of model polyurethanes at gel point - Macromolecules, 21, 532-535 (1988).
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(6) - CORAN...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Quelques logiciels (liste non exhaustive) permettant la simulation numérique de l'injection de mousses dans un moule :
VirtuFoam : modules de calcul de moussage par éléments finis en 2D plan et axisymétrique utilisant le logiciel Matlab© – couplage équation du mouvement, de la chaleur, conservation des espèces chimiques, évolution du front de matière dans un moule.
Rem3D : logiciel de simulation 3D par éléments finis développé par le CEMEF (MINES ParisTech – CNRS UMR 7635) et dédié à la simulation de l'injection plastique. Développement soutenu par un consortium industriel regroupant des acteurs majeurs de différents secteurs de la plasturgie comme ARKEMA, SCHNEIDER ELECTRIC INDUSTRIES, ESSILOR INTERNATIONAL, PLASTIC OMNIUM AUTO EXTERIEUR, FCI, SNECMA PROPULSION SOLIDE et DOW BENELUX BV (Pays Bas), RHODIA
http://www.transvalor.com/rem3d.php
Moldflow : dispose d'un module pour la description du procédé MuCell® (Microcellular injection molding)
http://www.moldflow.com/stp/pdf/eng/MP15_B_E.pdf
FLUENT :
http:/www.fluent.com/about/news/newsletters/06v15i1/s12.pdf
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