Un nouveau mélangeur/réacteur à écoulements élongationnels

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1 Un nouveau mélangeur/réacteur à écoulements élongationnels René MULLER et Michel BOUQUEY Groupe d Intensification and d Intrapolation des Procédés Polymères (G2IP) LIPHT EAc XXXX École Européenne de Chimie, Polymères et Matériaux (ECPM) Université de Strasbourg

2 SOMMAIRE Principe de fonctionnement Mélanges de polymères (hautes viscosités) Emulsification de monomères (basses viscosités) Visualisation des écoulements et simulation numérique Perspectives

3 Différents types de mélangeurs de laboratoire: Brabender (batch): W30 (30 cc) W55 (55 cc) W/N/B/S 350 (400cc) Rheomix (batch) 600 (60 cc) and 3000 (3000 cc). Microcompounders bi-vis (batch ou continu) MiniLab(Thermo) (7 cc) + MiniJet (machine d injection 4 cc) Xplore (DSM) (5 et 15 cc) + Mini Injection Machine (5 et 12 cc) Extrudeuses mono- ou bi-vis (continu) Principaux défauts et lacunes: Difficulté de récupérer des échantillons (étape additionnelle de moulage) Difficulté de travailler sous atmosphère contrôlée (evaporation,..) Contrôle de l écoulement (elongation/cisaillement)

4 Tentatives pour favoriser la composante élongationnelle: Extensional flow mixer X.Q. Nguyen and L.A. Utracki, U.S. Patent, 5, 451, 106, 19 (1995) Nombre limité de convergeants/divergeants (perte de charge totale) Multi-pass rheometer: groupe de Cambridge (M. Mackley) Idée du multi-pass pour le mélange: brevet US (1960)

5 Developpement d un nouveau mélangeur/réacteur Principe: écoulement périodique à travers un mélangeur statique P P Élément de mélange statique Importance des écoulements élongationnels (convergeant et divergeant) Réorientation de la matière à chaque cycle Etanchéité aux liquides et aux gaz fonctionnement possible sous pression

6 Conception de l élément de mélange Critères: Alimentation des composants (y compris liquides sous pression) Moulage direct des échantillons (sans reprise de la matière) Etanchéité aux liquides et aux gaz Possibilité d associer plusieurs unités en série Alimentation (fondu ou liquide) Mélange Vers le moule ou l unité suivante

7 Principales caractéristiques du mélangeur élongationnel RMX - Volume de mélange variable (5 à 100cm3) contrôlé par la position des pistons - Commande par des vérins hydrauliques: puissance du groupe: 2kW - Pression maxi dans les chambres: 300 bars - Fréquence de fonctionnement typique à 100 bars: 1 cycle en 2s

8 Vue schématique du mélangeur Unité d alimentation (fondus) Elément de mélange (plusieurs géométries disponibles) Moule Chambres Alimentation de liquides Joints Téflon ou métalliques entre les pistons et les chambres

9 Principe de fonctionnement

10 Eléments de mélange Elément de mélange à filière longue Alimentation L=15 mm D=3mm Moule L/D=5 Elément de mélange à filière courte L=2 mm D=2mm L/D=1

11 Résultats pour des mélanges de polymères PS / PMMA 10/90 η (PMMA)/η (PS) 5 T=210 C Influence du nombre de cycles (filière longue) b a a: 10 cycles b: 30 cycles a

12 Inclusions de faible viscosité dans une matrice de haute viscosité PS / PMMA 10/90 η (PS)/η (PMMA) 0,2 T=210 C Influence de la géométrie de l élément de mélange Vitesse des pistons: 5 mm/s Dn filière longue Dv filière longue Dn filière courte Dv filière courte

13 Inclusions de faible viscosité dans une matrice de haute viscosité PS / PMMA 10/90 η (PS)/η (PMMA) 0,2 T=210 C Influence du débit (vitesse des pistons) Dn 20 mm/s Dv 20 mm/s Dn 10 mm/s Dv 10 mm/s Filière longue

14 Comparison avec un mélangeur type Brabender Inclusions de faible viscosité dans une matrice de haute viscosité PS / PMMA 10/90 η (PS)/η (PMMA) 0,2 a a: Rheomix Haake 630 J/g T=210 C b b: RMX (filière longue) 200 J/g

15 Inclusions de forte viscosité dans une matrice de faible viscosité PS / PMMA 90/10 η (PMMA)/η (PS) 5 T=210 C Dn filière longue Dv filière longue Dn Haake Dv Haake

16 Emulsification et polymérisation de monomères Dispositif pneumatique Pression contrôlée Basses pressions (<25 bars) Elément de mélange spécifique Nombre de trous : d = 60 mm d = 32 mm entre 1 et 30 Diamètre des trous : entre 0,2 mm et 1 mm

17 Procédure : MMA 1 5 % v /w a te r SDS 0,5-4 g /l L a u r o y le p e r o 2x id - 6e % w /M M A Etape d émulsification : Introduction des réactifs dans le mélangeur/réacteur Mélange (environ 400 cycles) à pression imposée et à 25 C Etape de polymérisation : Montée en température à 70 C Arrêt du mélange et transfert du milieu réactif dans l une des chambres Montée à 80 C le temps de réaction dépend du type d amorceur Récupération du produit final Détermination de la distribution en tailles par DDL

18 Emulsification 500 Ultrasonification 450 Ultraturrax 400 RMX at 10 bars RMX at 15 bars Size (nm) 350 RMX at 22 bars Time (min) 25 30

19 Visualisation de l écoulement Chambres transparentes Liquide fluorescent

20 Visualisation de l écoulement Chambres en PMMA Faisceau laser linéaire et vertical Fluide identique dans les 2 chambres mais contenant de la fluorescéine d un côté. Glycérine fluorescente Glycérine vierge

21 Simulation numérique de l écoulement Elément de mélange 21

22 Dimensions et conditions aux limites D=26 mm L=32 mm l=3 mm Facteur de contraction : 10.67:1 22

23 Nombres adimensionnels Nombre de Reynolds Paramètre d Astarita Re<0.1: écoulement rampant Re>0.1: écoulement inertiel D: taux de déformation Ω: vorticité W: vecteurs propres de D Ωrel =Ω-W χ=2: écoulement bouchon χ=1: écoulement de cisaillement χ=0: écoulement élongationnel

24 Ecoulement rampant (Re 0.001); liquide newtonien faible viscosité expérience

25 Ecoulement rampant (Re 0.001); liquide newtonien simulation isotherme

26 Ecoulement rampant (Re 0.001) Simulation en newtonien avec résolution de l équation de la chaleur μ0=34.13 Viscosité faible Viscosité élevée

27 Ecoulement rampant (Re 0.001); liquide newtonien viscosité élevée:

28 Visualisation de l écoulement pour un fluide viscoélastique Solution de Polyvinylpyrrolidone dans l eau (LUVITEC fournie par by BASF) ESSAI.MP4

29 Ecoulement rampant (Re 10-5 ); liquide non-newtonien simulation quasi-newtonienne Paramètre géométrique χ Viscosité µ

30 Comparaison simulation-expérience en non-newtonien

31 Ecoulement rampant (Re 10-4 ): experiment pour un fluide viscoélastrique

32 Perspectives

33 Alimentation séquentielle de composants réactifs Alimentation du composant 1 Transfert du composant 1 Alimentation du composant 2 Transfert de 2 et alimentation de composants supplémentaires

34 Principe de fonctionnement comme rhéomètre à pré-cisaillement Pré-déformation contrôlée (N cycles) Alimentation Filière instrumentée Mesure rhéologique P, Q

35 Principe de fonctionnement comme mélangeur/réacteur continu Déplacement identique des pistons: Alimentation continue Qe Débit de sortie continu Qs Volume de mélange total constant: Qe= Qs

36 Principe de fonctionnement avec plusieurs unités en série Débit entrant Connection element Débit sortant Pour des réactions en plusieurs étapes, injection de réactifs au niveau des éléments de connection

37 Caractérisation rhéologique et morphologique en ligne - Suivi en continu de la viscosité à l aide de capteurs de pression dans les chambres (débit à travers l élément de mélange connu) - Possibilité d adapter des capteurs (optiques, diélectriques, spectroscopiques,..) sur l élément de mélange en mode batch ou sur le canal de sortie en mode continu.

38 Merci pour votre attention! Enseignants-Chercheurs Michel BOUQUEY Gilles BOUCHET Christophe SERRA Ingénieur Thésards Cyril LOUX Jérôme RONDIN Inès SOUILEM Sarath CHANDRAN Badi TRIKI Etudiant en Master Benjamin PACI