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RÉSUMÉ
Le développement de nouveaux matériaux polymères requiert de plus en plus souvent de mélanger plusieurs polymères ou un polymère avec des charges minérales ou des fibres. Ces opérations de mélange sont spécifiques par rapport à celles que l’on rencontre dans d’autres domaines du Génie Chimique parce que la très forte viscosité des polymères fondus interdit de créer de la turbulence, qui est le principal mécanisme de mélange pour des systèmes de faible viscosité. L’objectif de cet article est d’introduire quelques concepts de base qui gouvernent les opérations de mélanges et qui permettent de quantifier leur efficacité, afin d’éclairer le fonctionnement des différents outils industriels.
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The development of new polymeric materials often requires mixing various polymers or mixing a polymer with inorganic fillers or fibers. These mixing operations differ from those encountered in other areas of chemical engineering because the very high viscosity of molten polymers prevents turbulence, the main mixing mechanism for low viscosity systems. This article introduces some basic concepts that govern the operations of mixing and allow their effectiveness to be quantified. These help explain how various mixing processes work.
Auteur(s)
-
Jean-François AGASSANT : Professeur - MINES ParisTech, PSL Research University, CEMEF (Centre de Mise en Forme des Matériaux), UMR CNRS 7635, Sophia Antipolis, France
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Francis PINSOLLE : Ingénieur ENSEM (École nationale supérieure d’électricité et de mécanique de Nancy) - Master of Science de l’Université de Philadelphie - IAE (Institut d’administration des entreprises d’Aix-en-Provence)
-
Bruno VERGNES : Directeur de Recherches - MINES ParisTech, PSL Research University, CEMEF (Centre de Mise en Forme des Matériaux), UMR CNRS 7635, Sophia Antipolis, France
INTRODUCTION
Mélanger plusieurs polymères entre eux ou mélanger un polymère avec des charges minérales, des fibres de renfort, des réactifs chimiques permet d’obtenir des propriétés nouvelles (conductivité thermique et/ou électrique, propriétés barrières, ignifugation…) ou d’améliorer les propriétés existantes (en particulier les propriétés mécaniques).
Mélanger des polymères et des charges revient le plus souvent à effectuer deux types d’opérations bien différentes :
-
réduire la taille des entités à disperser, c’est-à-dire casser les charges minérales ou les nodules de la phase polymère minoritaire : c’est ce que l’on appelle le mélange dispersif ;
-
distribuer ensuite ces entités de la façon la plus homogène possible au sein de la matrice polymère : c’est ce que l’on appelle le mélange distributif.
Pour effectuer ces opérations, il est nécessaire de créer au sein des outillages des écoulements complexes, induisant des niveaux de contraintes élevés, sans toutefois dégrader la matrice polymère. Les procédés correspondant peuvent être soit discontinus (mélangeurs internes), soit continus (extrudeuses).
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
distribution | polymer | dispersion | filler | fiber
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Glossaire4. Conclusion
Les matériaux et compounds polymères que l’on développe aujourd’hui sont des mélanges de plus en plus complexes : mélanges de différents polymères, mélanges de polymères avec des charges qui peuvent avoir un facteur de forme (fibres, plaquettes) et des tailles très différentes (notamment des nanoparticules). La réalisation de ces mélanges est une opération cruciale qui a été longtemps fondée sur une bonne dose d’empirisme, validée par une procédure d’essais-erreurs, débouchant sur des géométries d’outillages très sophistiquées, voire parfois baroques.
La modélisation des outils de mélange n’a que rarement précédé leur conception et leur réalisation, mais elle leur apporte aujourd’hui un éclairage qui permet alors de les optimiser. Quand on a compris les deux séquences successives d’une opération de mélange, disperser puis distribuer, on réalise qu’il est nécessaire de commencer par apporter de l’énergie pour briser une charge en particules élémentaires avant d’imposer une cinématique complexe qui va distribuer ces particules de façon homogène dans la matrice. Dans cet article sont présentées les notions théoriques permettant d’aborder la compréhension des opérations de mélange. Plus d’informations sur les outils industriels de mélange et leur application à un certain nombre de cas pratiques sont données dans l'article [AM 3 636].
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MANAS-ZLOCZOWER (I.) - Mixing and Compounding of Polymers – Theory and Practice. - Hanser (2009).
-
(2) - COLLIN (V.), BOUDIMBOU (I.), PEUVREL-DISDIER (E.) - * - . – J. Appl. Polym. Sci., 127, p. 2121-2131 (2013).
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(3) - SCURATI (A.), FEKE (D.L.), MANAS-ZLOCZOWER (I.) - * - . – Chem. Eng. Sci., 60, p. 6564-6573 (2005).
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(4) - RWEI (S.P.), MANAS-ZLOCZOWER (I.), FEKE (D.L.) - * - . – Polym. Eng. Sci., 31, p. 558-562 (1991).
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(5) - LEE (Y.J.), FEKE (D.L.), MANAS-ZLOCZOWER (I.) - * - . – Chem. Eng. Sci., 48, p. 3363-3372 (1993).
-
(6) - DURIN (A.) - Modélisation du mélange de polymères chargés et de la casse de fibres rigides en extrusion bivis. - Thèse de Doctorat, MINES...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
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