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RÉSUMÉ
Les micro-compoundeurs sont composés d'une extrudeuse bivis conique de petites dimensions, couplée à un canal de recirculation, dans lequel quelques grammes de matériau peuvent être traités pendant un temps donné, avant d'être purgés. Les conditions d'écoulement à l'intérieur de ces machines ne sont pas toujours bien connues, ce qui rend parfois difficile une utilisation optimale et une interprétation correcte des résultats. Dans cet article, le mode de fonctionnement des micro-compoundeurs est explicité. Des résultats expérimentaux et des modèles d’écoulement sont présentés, pour permettre au lecteur de mieux appréhender ce procédé et comprendre les influences de ses principaux paramètres.
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A micro-compounder consists of a small conical twin-screw extruder, coupled to a recirculating channel, in which a few grams of material can be processed for a fixed time, before being purged. Inside these machines, the flow conditions are not always well known, which sometimes makes it difficult to use them optimally and to interpret the results correctly. In this article, the operating mode of micro-compounders is explained. Experimental results and flow models are presented, to allow the reader to better understand this process and the influences of its main parameters (rotation speed, material mass, barrel temperature).
Auteur(s)
-
Bruno VERGNES : Docteur ès Sciences - Conseiller scientifique - CEMEF, Mines Paris – PSL, Sophia Antipolis, France
INTRODUCTION
Le mélange et le compoundage constituent une partie essentielle de l'industrie des polymères. Au niveau industriel, ces opérations sont généralement réalisées à l'aide d'extrudeuses bivis, capables de fournir des débits allant jusqu'à des dizaines de tonnes par heure. Cependant, pour développer un produit à l'échelle du laboratoire, des machines plus petites sont nécessaires. Des extrudeuses bivis d'un diamètre minimal de 11 mm sont désormais disponibles sur le marché, permettant selon les constructeurs d’atteindre des débits de 20 g/h. Cependant, pour des matériaux coûteux ou disponibles en très faibles quantités, des débits de quelques grammes par heure seraient souhaitables, au moins pour définir des formulations appropriées. C'est pourquoi, à la fin des années 1990, une nouvelle catégorie de machines est apparue, les micro-compoundeurs. Ils sont fondés sur la même idée : coupler une extrudeuse bivis de petite taille (co- ou contrarotative) avec un canal de recirculation. Le matériau peut ainsi être traité durant le temps nécessaire à son élaboration, mais dans des conditions réelles d'extrusion. Une fois ce traitement thermomécanique réalisé, une vanne permet de purger la matière en l'extrudant à travers une filière. Sur certaines machines, la conception du canal de recirculation permet également de déduire une viscosité apparente à partir de la mesure de la perte de charge locale.
Les micro-compoundeurs sont essentiellement utilisés dans des laboratoires ou des unités de recherche et développement (R&D). Cependant, malgré une utilisation croissante, leur fonctionnement demeure imparfaitement connu et il existe peu de données bibliographiques sur le procédé lui-même. Dans cet article, après avoir explicité les principes de base du fonctionnement des micro-compoundeurs, nous décrirons en détail leur géométrie, aussi bien en configuration co- que contrarotative, puis nous présenterons un certain nombre de résultats expérimentaux. Nous introduirons ensuite quelques notions de modélisation des écoulements et montrerons les résultats pratiques que ces modèles permettent d’obtenir.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
polymers | mixing | twin screw extrusion | flow models
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5. Conclusion
Bien que les micro-compoundeurs soient de plus en plus utilisés en recherche et développement, principalement dans l’industrie pharmaceutique, leur mode de fonctionnement reste mal connu et donc leur utilisation est parfois loin d’être optimale. Dans cet article, nous avons essayé de fournir à l’utilisateur de ces machines des outils de compréhension et d’évaluation de leurs performances. Un point essentiel à retenir est que, en mode recirculation, la masse introduite dans le micro-compoundeur est un paramètre essentiel. Elle va conditionner non seulement le remplissage, mais aussi le débit, et donc les pressions, les temps de séjour, l’énergie spécifique, etc. Du point de vue de la modélisation, des approches quasi analytiques sont possibles pour la configuration corotative, donnant accès à des modèles fiables et prédictifs. Ce n’est pas le cas en configuration contrarotative, où la géométrie plus complexe et insuffisamment accessible ne permet que l’estimation de quelques paramètres. L’intérêt respectif de ces deux configurations demeure encore peu compris, même si le mode contrarotatif, bien que moins répandu d’un point de vue pratique, semble plus efficace en termes de mélange dispersif et distributif. Outre cette capacité de mélange, les micro-compoundeurs peuvent aussi être utilisés pour acquérir des données rhéologiques sur des matériaux en cours de traitement thermomécanique, mais il faut rester prudent sur le traitement de ces données. En effet, il est issu soit d’un logiciel propriétaire dont on ne connaît pas les détails, soit de formules approximatives.
Il n’existe actuellement pas de logiciels commercialisés décrivant le fonctionnement d’un micro-compoundeur, comme c’est le cas en extrusion monovis ou bivis. Il y a là un manque qu’il faudrait songer à combler dans les années qui viennent, car ces outils vont continuer à se développer et à se déployer largement dans le domaine industriel.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CROWLEY (M.M.), ZHANG (F.), REPKA (M.A.), THUMMA (S.), UPADHYE (S.B.), BATTU (S.K.), McGINITY (J.W.), MARTIN (C.) - * - . – Drug Dev. Indus. Pharm., 33, p. 909 (2007).
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(4) - YOUSFI (M.), ALIX (S.), LEBEAU (M.), SOULESTIN (J.), LACRAMPE (M.F.), KRAWKZAK (P.) - * - . – Polym. Test., 40, p. 207 (2014).
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(6) - WANG (C.), WANG (J.), YU (C.), WU (B.), WANG (Y.), LI (W.) - * - . – Polym. Test., 33, p. 138...
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