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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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Lire l’articleAuteur(s)
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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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Procédés d’injection-moussage
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1. Mousses polymériques
Les propriétés physiques des matériaux cellulaires sont conditionnées par les propriétés de chacune des phases, par leurs proportions respectives et par la taille, la forme, le nombre et la répartition des bulles.
1.1 Paramètres caractéristiques des mousses
Le premier paramètre est le type de cellule, ouverte ou fermée. Dans les mousses constituées de cellules ou bulles ouvertes, celles-ci sont connectées entre elles, donc le gaz peut circuler librement à l’intérieur de la structure (figure 1- a ). Par contre, dans les mousses constituées de cellules ou bulles fermées, le gaz est confiné dans chaque bulle (figure 1- b ). Plusieurs propriétés physiques sont très dépendantes de cette structure. Par exemple, les mousses à cellules ouvertes sont employées dans des applications de filtration, tandis que les mousses à cellules fermées sont utilisées dans les dispositifs d’isolation thermique et acoustique.
Les polymères allégés en injection présentent toujours une structure à cellules fermées.
Le deuxième paramètre caractéristique est la densité relative ρr , rapport entre la masse volumique du matériau moussé ρf et la masse volumique du polymère solide ρs . Ce paramètre permet de définir la proportion relative des deux phases (gaz et solides) [AM 3343]. Pour les mousses à cellules ouvertes, la densité relative se situe entre 0,10 et 0,30 et pour les mousses à cellules fermées, elle se situe entre 0,30 et 0,70.
Un autre paramètre important est le taux d’expansion τ, rapport entre le volume de la mousse et celui du solide initial. C’est donc l’inverse de la densité relative, si on néglige la masse de gaz devant la masse de polymère.
pour une masse volumique typique d’une mousse de polypropylène ρf = 0,50 g·cm–3...
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Mousses polymériques
BIBLIOGRAPHIE
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(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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(6) - LEI...
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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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