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Présentation
English
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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Lire l’articleAuteur(s)
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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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Géométrie et mode de fonctionnement
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1. Présentation générale
Après avoir présenté le principe de base des micro-compoundeurs, nous passerons en revue les gammes de machine actuellement sur le marché, ainsi que leurs principales applications.
1.1 Principe de base
Comme rappelé en introduction, l’objectif d’un micro-compoundeur est de travailler sur de très petites quantités de matière. Cela peut être nécessaire pour des ingrédients dont on ne possède que quelques grammes (issus de synthèse chimique, par exemple) ou dont le coût est prohibitif (notamment dans le domaine pharmaceutique). Il est donc naturel de penser à diminuer la taille des extrudeuses, mais en-dessous d’un certain diamètre et en maintenant des rapports longueur/diamètre habituels, on arrive à des conditions de traitement insuffisantes pour mélanger ou transformer correctement les matériaux utilisés. L’idée est donc de coupler une extrudeuse bivis de petite taille avec un canal de recirculation, permettant au matériau de revenir de l’extrémité des vis vers l’amont et d’effectuer ainsi un certain nombre de cycles avant d’être extrudé à travers une filière, grâce à une vanne by-pass. On se rapproche ainsi du fonctionnement d’un mélangeur interne, mais avec une vraie géométrie d’extrudeuse, assurant un traitement de la matière similaire à celui que l’on aurait sur un procédé d’extrusion continu. La partie extrusion du micro-compoundeur utilise des vis coniques, ce qui permet d’avoir des entraxes plus importants et des butées plus grandes, et donc de supporter des couples plus élevés. Deux configurations sont possibles, avec des vis co- ou contrarotatives. La figure 1 présente le schéma de base d’un micro-compoundeur.
HAUT DE PAGE1.2 Gamme de machines
Les premiers micro-compoundeurs sont apparus à la fin des années 1990, à partir de travaux initiés chez DSM Research aux Pays-Bas. Des machines issues des brevets initiaux ont été développées en parallèle chez DSM Research, devenu Xplore en 2014, et ThermoFisher. Dans les années 2000, les machines DSM ont été commercialisées aux États-Unis sous la marque Daca Instruments. Aujourd’hui, il ne reste sur le marché que Xplore et ThermoFisher. Leurs appareils...
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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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(2) - BOOY (M.L.) - * - . – Polym. Eng. Sci., 18, p. 973 (1978).
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(3) - JANSSEN (L.P.B.M.) - Twin Screw Extrusion. - Elsevier, Amsterdam (1978).
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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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(5) - DECAEN (P.), ROLLAND-SABATÉ (A.), COLOMINES (G.), GUILOIS (S.), LOURDIN (D.), DELLA VALLE (G.), LEROY (E.) - Carbohydr. - Polym., 230, p. 1 (2020).
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(6) - WANG (C.), WANG (J.), YU (C.), WU (B.), WANG (Y.), LI (W.) - * - . – Polym. Test., 33, p. 138...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Xplore, Sittard (Pays-Bas)
https://www.xplore-together.com
ThermoFischer, Waltham (États-Unis)
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