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RÉSUMÉ
L’injection moussage est l'un des procédés industriels les plus intéressants pour produire des matériaux thermoplastiques légers. Le moussage peut être réalisé avec l’aide d’agents moussants chimiques ou par injection directe de gaz. Cet article analyse la production de pièces injectées en polymère thermoplastique moussé, avec une attention particulière sur certaines avancées technologiques et sur l’influence de la formulation qui permettent d'améliorer l'aspect de surface et une meilleure maîtrise de la structure des pièces injectées. Une partie de l'article est consacrée à la modélisation théorique de la croissance des bulles. Pour conclure, une analyse des propriétés mécaniques est présentée.
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José Antonio REGLERO RUIZ : Chercheur Post-doctoral - MINES ParisTech – PSL Research University, Centre de Mise en Forme des Matériaux (CEMEF), UMR CNRS 7635, Sophia Antipolis, France.
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Michel VINCENT : Directeur de recherche au CNRS - MINES ParisTech – PSL Research University, Centre de Mise en Forme des Matériaux (CEMEF), UMR CNRS 7635, Sophia Antipolis, France.
INTRODUCTION
Les mousses de polymères sont une classe de matériaux cellulaires qui sont composés d’une phase polymère solide et d’une phase gazeuse dispersée. Ils sont avantageux par rapport aux matériaux massifs en raison de leur poids léger, de leur excellente capacité d’absorption d’énergie et aussi d’un bon comportement d’isolation. Aujourd’hui, nous sommes confrontés à l’utilisation de mousses polymériques dans la vie quotidienne et cela nécessite l’optimisation de leurs procédés d’élaboration et l’investigation des relations structure-propriétés.
Le principal paramètre pour définir ce type de matériaux est leur densité relative (le rapport entre la masse volumique du polymère expansé et celle du polymère solide). On parle de mousses de basse densité si la densité relative est inférieure à 0,40 ou de mousses de haute densité si la densité relative est entre 0,40 et 0,70. Les mousses de haute densité sont aussi appelés « polymères allégés ».
Les polymères allégés sont devenus des produits importants, spécialement dans le secteur automobile. Les pièces injectées combinent l’allégement de poids avec des qualités mécaniques satisfaisantes comme la rigidité et la résistance au choc.
Pour cette raison, les procédés de production des polymères allégés en injection ont beaucoup évolué dans les dernières années. Ils peuvent être réalisés par voie chimique, avec l’utilisation d’agents gonflants, ou par voie physique, par injection directe de gaz dans le système vis/fourreau. En général, l’obtention de pièces injectées en polymère allégé comprend les étapes suivantes :
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le choix des polymères et/ou mélanges de polymères ;
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le choix du procédé de moussage (par voie chimique ou physique) ;
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la définition des conditions d’injection (pression hydraulique, profil de température de la vis, vitesse d’injection, etc.) ;
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l’utilisation des techniques innovantes pour contrôler l’expansion (ouverture de moule, contre-pression de gaz à l’intérieur du moule, etc.) ;
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la détermination des propriétés des matériaux obtenus et l’optimisation du procédé.
Le présent article est consacré à l’étude de l’obtention des polymères allégés en injection, principalement le polypropylène. L’article commence par une introduction des caractéristiques les plus importantes des mousses polymériques et par une description des procédés d’injection moussage, par voie chimique et voie physique. Les procédés de contrôle du moussage comme l’ouverture partielle du moule, appelée « core-back » en anglais, et la pressurisation de la cavité avant injection sont étudiés. Une analyse des interactions gaz-polymère (diffusion, nucléation, plastification, croissance, gonflage, etc.), permet de comprendre la physique du procédé, avec l’appui d’un modèle simple de croissance des bulles. Enfin, quelques propriétés mécaniques sont analysées et plusieurs pistes d’investigation seront proposées pour avancer dans la maîtrise de ce type de matériau innovant.
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Propriétés mécaniques
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5. Modélisation du procédé
La formation d’une mousse polymère implique plusieurs étapes :
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la dissolution de gaz dans le polymère fondu sous une pression élevée ;
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la nucléation d’une population de bulles de gaz dans le polymère après la libération de la pression ;
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la croissance de bulles nucléées jusqu’à leur dimension finale d’équilibre lorsque le polymère se solidifie ;
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la stabilisation de la structure cellulaire.
La masse volumique de la mousse finale dépend de plusieurs paramètres du procédé (température, pression, taux de dépressurisation induit par la vitesse d’ouverture du moule dans le cas de l’injection, etc.) et elle est directement liée à la quantité initiale de gaz dissous et à la fraction de gaz diffusée à l’extérieur. La distribution de la taille des bulles dépend de la cinétique de nucléation et de la coalescence lors de l’expansion. La première partie du paragraphe 5 est consacrée à l’analyse des différentes étapes de la physique du procédé du gonflage (solubilisation, nucléation, croissance et stabilisation de la structure). Dans la deuxième partie, un modèle simple de croissance de bulle est présenté.
5.1 Physique du procédé
La figure 17 présente un schéma du procédé de formation des mousses polymériques par dissolution de gaz, comprenant la formation d’un système monophasique où le gaz est dissous dans la matrice polymérique, la nucléation et la croissance des bulles, la diffusion de gaz à l’extérieur et finalement la stabilisation de la structure.
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Modélisation du procédé
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GIBSON (L.J.), ASHBY (M.F.) - Cellular solids : structure and properties. - Cambridge University Press (1999).
-
(2) - LEE (J.), TURNG (L.-S.), DOUGHERTY (E.), GORTON (P.) - A novel method for improving the surface quality of microcellular injection molded parts. - Polymer. Volume 52, pages 1436-1446, Mars 2011.
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(3) - GOSSELIN (R.), RODRIGUE (D.) - Cell morphology analysis of high density polymer foams. - Polymer Testing. Volume 24, pages 1027-1035, Juillet 2005.
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(4) - XU (J.), TURNG (L.-S.) - Microcellular injection molding. - Wiley International (2010).
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(5) - LAN (H.-Y.), TSENG (H.-C.) - Study on the rheological behavior of PP/Supercritical CO2 mixture. - Journal of Polymer Research. Volume 9, pages 157-162, Septembre 2002.
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(6) - LEI...
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ImageJ, (version pour Windows Vista), [Logiciel], RSB Homepage.
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https://www.plasteurope.com/news/MECAPLAST_t222583/
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NF EN ISO 8256-1 AFNOR (2005), AFNOR Plastiques – Détermination de la résistance au choc-traction
NF EN ISO 604 AFNOR (2004), AFNOR Plastiques – Détermination des propriétés en compression
NF EN ISO 180 AFNOR (2001), AFNOR Plastiques – Détermination de la résistance au choc Izod
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