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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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Lire l’articleAuteur(s)
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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)
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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 ;
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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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Mélange distributif2. Mélange dispersif
On verra au paragraphe 3 qu’une opération de mélange distributif peut être traitée de manière très générale, quelle que soit la nature de la phase à disperser. Ce n’est pas le cas du mélange dispersif, qui au contraire nécessite une approche spécifique, différente suivant la nature du matériau à disperser. En effet, un agrégat de noir de carbone, une argile lamellaire, un nodule de polymère fondu ne vont pas évoluer de manière équivalente. En fait, la phase dispersée subit dans l’écoulement des contraintes hydrodynamiques qui, lorsqu'elles sont supérieures à la contrainte de cohésion interne de la charge, vont pouvoir la rompre. Suivant le type de charge, la contrainte de cohésion peut être de différentes natures (liaison hydrogène, force de Van des Walls, enchevêtrement moléculaire…) et donc plus ou moins résistante.
2.1 Mécanismes
Certains mécanismes particuliers intervenant dans les mélanges polymère/solide et polymère/polymère illustrent ce qu’est le mélange dispersif.
HAUT DE PAGE2.1.1 Mélanges polymère/charge
Considérons le cas d’un agglomérat solide, par exemple de noir de carbone, à disperser dans une matrice en écoulement. Des observations en conditions modèles permettent de mettre en évidence deux mécanismes principaux :
-
un mécanisme de rupture, si la contrainte appliquée est très supérieure à la contrainte cohésive qui lie les constituants (figure 2 ) ;
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un mécanisme d’érosion, par arrachement de particules périphériques, si l’agglomérat est plus cohésif.
Dans le premier cas, on peut montrer que la rupture se produit au-delà d’une contrainte critique qui dépend directement de la taille de l’agglomérat...
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Mélange dispersif
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).
-
(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
Ximex ©, code général 3D pour l’extrusion et le mélange, est commercialisé par la société SCC (Sciences Computers Consultants, 10, rue du plateau de Glières, 42000, Saint-Étienne)
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