Propriétés, rhéologie et mise en œuvre des polymères, mélanges de polymères et composites à matrice thermoplastique : SYS862 Cours 4(4): Rhéologie pour la mise en forme des polymères SYS862 : Cours 4(4) - références Lectures(conseillées( McGrum pg 315-342; 367-389 Lectures(supplémentaires( Michaeli 2"
SYS862:Cours 4(4): Rhéologie pour la mise en forme des polymères Introduction Propriétés thermiques des polymères Extrusion Description du procédé Les vis d extrusion Écoulement du polymère en extrusion Gonflement à la filière Instabilité de l extrudat Injection Description du procédé Contraction dans le moule Hétérogénéités dans moule Lignes de soudage 3" Introduction Quels sont les avantages de polymères? Quels sont les désavantages des polymères quant à leur mise en forme? Que devons nous prendre en compte lors du choix du polymère? Quels sont les étapes des procédés de mise en forme des polymères? Quels sont les procédés les plus importants?
Introduction N.G."McGrum,"C.P."Bickley,"C.B."Bucknall," "Principles"of"polymer"engineering,"1997" Introduction Quels sont les avantages de polymères? Lègereté, facilité de moulage, prix, tenacité, résistance a la corrosion Quels sont les désavantages des polymères quant à leur mise en forme? Fluides très visqueux, non newtoniens, pauvres conducteurs de chaleur Que devons nous prendre en compte lors du choix du polymère? Les propriétés recherchées (mécaniques, optiques, électriques etc ), Mais aussi sa formabilité: on peut avoir deux PE, (exemple très simpliste) avec des propriétés mécaniques similaires mais des MFI différents. Ou encore des matériaux qui auront des propriétés d élasticité différentes (se souvenir de l exemple des bouteilles de PE). Il faut se rappeler que ce ne sont pas des métaux et que leur mise en forme est différente (ex: gonflement de l extrudat) Quels sont les étapes des procédés de mise en forme des polymères? Chauffer, pomper le matériaux (pression), obtention d une certaine forme, refroidissement et solidification. Il faut donc comprendre la rhéologie du polymère et ses caractéristiques thermiques Quels sont les procédés les plus importants? Extrusion et tous les dérivés Moulage par injection
Propriétés Thermiques des Polymères La mise en forme des polymères est limitée par l étape de refroidissement et solidification Ex en moulage par injection 1s pour remplir le moule et 30 s pour refroidir. " Vous me direz que l on peut refroidir le moule??? En extrusion on passe dans un bain Mais attention aux hétérogéneités!!!! Conductivités thermiques des polymères (W.m -1 K -1 ) HDPE PA66 PMMA POM PP PTFE Acier 0.43 0.33 0.18 0.31 0.21 0.25 390 Propriétés Thermiques des Polymères T t = α 2 T z 2 ou α = k ρc P N.G."McGrum,"C.P."Bickley,"C.B."Bucknall,Principles"of"polymer"engineering,"1997"
Propriétés Thermiques des Polymères Si nous considérons une plaque qui est refroidie à une température Te et un polymère qui possède une capacité calorifique Cp, une conductivité thermique λ et une densité ρ, la variation de T en fonction de t et z est regie par l équation. La Figure 7.17 montre le profil de température (solution de cette équation ) pour du PMMA. Sur cette figure est aussi montrée la température de transition vitreuse du PMMA. Il peut-etre vu que nous avons un refroidissement non uniforme À votre avis que cela gère-t-il? Des contraintes résiduelles, des non uniformités (Figure 7.18), compression près des parois (on congèle à un volume spécifique plus important) et tension au centre. (se souvenir de la courbe vsp = f(t) refroidi à différentes vitesses) Aussi si les deux cotés du moules ne sont pas refroidits à la même température, nous aurons des pièces dissymétriques et de la déformation (gauchissement des pièces) On peut donc mouler dans un moule chaud mais le temps de manufacture sera plus important N.G."McGrum,"C.P."Bickley,"C.B."Bucknall,Principles"of"polymer"engineering,"1997" Propriétés Thermiques des Polymères W: Épaisseur échantillon (10 mm) C: Centre W C I: Zone de cisaillement intermédiaire S: Peau x: Direction de l écoulement S I z x y y: Direction perpendiculaire z: Direction Transversale
Extrusion: Description du procédé h@p://www.courant.fr/meeer.asp" h@p://www.ucaplast.fr/greenwasteplast/fr/documentaeons/documentaeonisurilaiplasturgie.html" 11 Extrusion: Description du procédé h@p://www.courant.fr/meeer.asp" L alimentation du polymère se fait par gravité dans le trémie La vis transporte le matériau jusqu à la fin du fourreau et le force à passer par la filière. Le matériau rempli les filets de la vis dont la profondeur diminue au long de la vis. Pendant son transport, le matériau est fondu (ramoli) mélangé, homogénéisé, plastifié, comprimé et forcè à entrer dans la filère. Le fourreau peut être chauffé par des résistances ou le polymère peut tout simplement être chauffé par chauffage visqueux. Prodédé continu. h@p://www.ucaplast.fr/greenwasteplast/fr/documentaeons/documentaeonisurilaiplasturgie.html" 12
Extrusion: Différents procédés en découlant Extrusion gonflage Extrusion soufflage h@p://www.valorplast.com/front/extrusionigonflageiplaseques_349.php" h@p://www.ucaplast.fr/greenwasteplast/fr/documentaeons/documentaeonisurilaiplasturgie.html" 13 Extrusion: Description du procédé 14
Extrusion: Les vis d extrusion h@p://ipremiepcp.univipau.fr/live/appareillage/plasturgie" 15 Extrusion: Les vis d extrusion (L/D entre 20 et 30; D entre 20 et 600 mm). 50 mm diamêtre 5 kg/h 600 mm jusqu à 30 t/heure 50 mm diamêtre 5 kg/h 600 mm jusqu à 30 t/heure La vis est la partie la plus importante de l extrudeuse. On définit en général une extrudeuse par le rapport entre la longueur et le diamêtre de vis (L/D varie normalement entre 20 et 30 et D entre 20 et 600mm). Des extrudeuses avec 50 mm de diamêtre produisent environ 5kg/heure alors que des extruduses avec des diamêtres de vis de 600mm peuvent produire jusqu à 30T/h Dans une vis, trois zone, la zone d alimentation (feeding), de compression (melting) et pompage (metering) Les filets de la vis sont relativement profonds dans la zone d alimentation et beaucoup moins dans la zone de pompage. Dans la zone d alimentation, le matériau est compacté et devient un agrégat semi-fondu Dans la zone de compression, le matériau est plastifi complétement grace à un chauffage externe le long du fourreau ou à un chauffage visqueux. Dans la zone de pompage l écoulement du polymère est controlé pour avoir la pression nécessaire pour extruder Entre le fourreau et la vis 0.001D pour éviter les écoulements de retour. Il est important que les filets de vis soient complètement remplis pour éviter des défauts dans les produits. 16 h@p://ipremiepcp.univipau.fr/live/appareillage/plasturgie"
Extrusion: Les vis d extrusion Longueur de zone de plastification Longues pour les polymères sensible à la dégradation thermique ou de viscosité élevée Courtes pour les polymères de basse viscosité Profondeur des filets Si trop profonds dans la zone d alimentation, on dépense trop d énergie, et il peut y avoir dégradation Angle des filets Empiriquement : 17.7 o Espace entre les filets et fourreau: 0.001D L/D entre 20 e 30: D entre 20 (5kg/h) e 600 mm (30T/h) <20 pour des élastomères et >20 pour des thermoplastiques 17 Extrusion: Les vis d extrusion N.G."McGrum,"C.P."Bickley,"C.B."Bucknall,Principles"of"polymer"engineering,"1997" 18
Extrusion: Les vis d extrusion La première vis est standard et possède trois zones. La deuxième vis possède des zone des ventilation qui peuvent être connectées à une pompe à vide La troisième vis est pour des polymères amorphes La quatrième pour des polymères semicristallins qui ont une température de fusion à laquelle nous avons une brusque diminution de la viscosité: ex PA N.G."McGrum,"C.P."Bickley,"C.B."Bucknall,Principles"of"polymer"engineering,"1997" 19 Extrusion: Les vis d extrusion
Extrusion: Les vis d extrusion Zone de ventilation: la zone de ventilation permet d évacuer la vapeur d eau et les poches d air. Certains polymères sont hydrophiles (les PA en particulier). Après une première compression, la pression est réduite permettant ainsi aux volatiles de s échapper. 21" Extrusion: Les vis d extrusion Développées de manière empirique Cela peut être fait de manière plus théorique Débit fourni par l extrudeuse à la filière en considérant l écoulement du fondu dans la zone de pompage (dosage) Débit à la sortie de la filière dépend de la pression à l entrée Débit fourni = débit à la sortie! Point d opération du système extrudeuse-filière 22
Extrusion: Écoulement du polymère en extrusion Hypothèses Fluide Newtonien Filet de petite profondeur par rapport à D et T Pas de retour du polymère N.G."McGrum,"C.P."Bickley,"C.B."Bucknall,Principles"of"polymer"engineering,"1997" 23 Extrusion: Écoulement du polymère en extrusion: exercice Un polymère est extrudé avec une extrudeuse qui possède une vis avec une zone de compression qui présente les paramêtres suivants: D=150 mm Pas de vis: 150 mm Profondeur des filets H=9 mm Largeur des filets e= 15 mm Angle: 17.7 o Longueur de la zone de compression: 1m Si la vis tourne à 100 tour/ min, quel est le débit s il n y a pas de filière. Écoulement libre N.G."McGrum,"C.P."Bickley,"C.B."Bucknall,Principles"of"polymer"engineering,"1997" 24
Extrusion: Écoulement du polymère en extrusion: exercice Un polymère qui possède une viscosité de 250Pas est extrudé dans une extrudeuse avec zone de ventilation D=75 mm Vitesse de vis N=40 tour/min Φ=17.7 e=7.5 mm Le pas d une vis est donné par πdtanφ La première zone a une longueur de 250mm et H 1 = 4mm La seconde zone a une longueur de 500 mm et H 2 =6 mm L extrudeuse produit un film d un metre de large en utilisant une filière de 10 mm de long. Trouver l épaisseur de la filière que nous devons avoir pour avoir une bonne extrusion Que se passerait il si la filière était plus épaisse, plus fine.% N.G."McGrum,"C.P."Bickley,"C.B."Bucknall,Principles"of"polymer"engineering,"1997" 25 Extrusion: Écoulement du polymère en extrusion: Débit fourni à la filière Le débit correspond à la somme du débit du à l écoulement de trainée et le contre débit du à la pression du à la filière: Q v = π 2 ND 2 H cosφ sinφ 2 π DH 3 sin 2 φ 12η N: Vitesse angulaire de vis (rot/temp); P: Pression en fin de vis due à la Filière, L longueur de la zone de compression η: viscosité du polymère P L N.G."McGrum,"C.P."Bickley,"C.B."Bucknall,Principles"of"polymer"engineering,"1997" 26
Extrusion: Écoulement du polymère en extrusion: Débit fourni à la filière Q v = π 2 ND 2 H cosφ sinφ 2 π DH 3 sin 2 φ 12η P L Le débit maximum est atteint lorsqu il n y a pas de pression à la sortie de l extrudeuse écoulement libre: Q v = π 2 ND 2 H cosφ sinφ 2 La pression à la sortie de l extrudeuse pour arrêter l écoulement (Q=0) P max = 6π NDLη H 2 tanφ N: Vitesse angulaire de vis (rot/temp); : gradient de Pression le long du cylindre; h: viscosité du polymère 27 Extrusion: Écoulement du polymère en extrusion: Débit dans la filière: Cas d une filière circulaire Le débit à la sortie de la filière dépend de la pression à l entrée (pression à la sortie de l extrudeuse. Si l équation de Hagen-Poiseuille est utilisée: R: rayon de la filière et L f longueur de la filière Q f = π R4 8ηL f P On peut donc considérer que le point d opération du système extrudeuse filière est donné par l intersection de l équation de la filière avec celle de l extrudeuse. 28
Extrusion: Écoulement du polymère en extrusion: Débit dans la filière: Cas d une filière circulaire Q Q v = Q d CP e K/η Q f = KP e /η P e P max =Q a /C Pour trouver le point de fonctionnement d une filière on peut donc avoir une équation analytique pour le débit fourni à la filière et une expression analytique pour le débit Dans la filière. Le point de fonctionnement est quand ces deux débits sont égaux. Ceci peut être représenté graphiquement 29 Extrusion: Écoulement du polymère en extrusion: Diagramme de fonctionnement B Q v = π 2 ND 2 H cosφ sinφ 2 Q f = π R4 8ηL f P Vis 1 Filière A Vis 2 Filière B π D H 3 f sin 2 φ P 12ηL Q B 1 1 Vis 1 a des filets plus profonds que 2 donc C 1 >C 2 Filière A est plus longue B 2 2 A 2 Avec la filière A la vis 2 résulte en un plus grand débit A A 1 Mais avec la filière B la vis 1 résulte en un débit plus petit. P 30
Extrusion: Gonflement à la filière Lorsque le polymère sort de la filière, il se produit un gonflement qui est du à son caractère viscoélastique et à la restauration des contraintes normales Plus le débit est élevé plus le gonglement à la filière augmente. Pour un débit donné le gonflement diminue avec la température. Pour un débit donné, le gonflement diminue avec l allongement de la matrice Le gonflement diminue si le temps de résidence augmente. Si le polymère possède de longues ramifications, le gonflement est moindre Les polymères monodisperses gonflent moins. Le gonflement est fonction de N 1 R.E.S. Bretas, M. D Avila: Reologia de Polímeros Fundidos, 2005, UFSCAR Extrusion: Instabilité de l extrudat Orientation résiduelle Le polymère prés des parois est orienté. Au cours du refroidissement cette orientation peut être maintenue. Ceci est von pour les fibres mais mauvais pour les tuyaus par ex. O polímero perto da parede é orientado. Marques de coulée (shear fracture) Extrudat non brillant, se casse peu a peu Ces marques sont d autant plus importantes que le débit est élevé Si le débit est trop élevé le matériau fondu n a pas le temps de relaxer dans la filière, commence à crépiter, à produire des bruits qui sont synonimes de fractures. Fracture superficielle Sharkskin Au cours du transport dans la filière, les couches près des parois sont transportées à des vitesses inférieures à celles des couches internes. Si le débit est élevé on pourra avoir des effets de shaskin. Du Les polymères moins élastiques sont moins sujets à ces phénomènes, Rheology of Polymeric Systems: Principles and Applications P. Carreau, De Kee, Chhabra, Hanser Verlag, 1997 32
Moulage par injection: Description du procédé Le procédés d injection est un procédés non continu pour fabriquer des pièces en grande série Meubles de jardin, L alimentation du polymère se fait avec une vis don t la géometrie peut être similaire à celle de l extrudeuse. Une fois qu une quantité suffisante de polymère fondu est accumulée, celle-ci peut être forcée à s écouler dans le moule, poussée par un piston. Les moules sont constitués de deux coquilles (partie fixe et partie mobile) qui sontfortement préssées l une contre l autre au moment du moulage et écartées pour ejecter la pièce N.G."McGrum,"C.P."Bickley,"C.B."Bucknall,Principles"of"polymer"engineering,"1997" 33 Moulage par injection: Description du procédé Voir"filmes" h@p://www.ic.gc.ca/eic/site/plasecsi plaseques.nsf/fra/pl01409.html" h@p://frenchheraldrydesign.wordpress.com/2010/07/03/explicaeoniduimoulageipari injeceon/" 34
Moulage par injection: Les moules Les moules sont constitués de deux coquilles (partie fixe et partie mobile) qui sontfortement préssées l une contre l autre au moment du moulage et écartées pour ejecter la pièce Lorsque le moule est fermé le polymère s écoule dans le canal d injection et ensuite dans le moule qui peut être froid L écoulement dans les moules n est pas facile à modéliser car le polymère peut se solidifier lors du remplissage. Les taux de cisaillement sont de plus de 100s-1 Il se produit donc une forte contraction du polymère dans le moule qui doit être prise en consideration pour le dosage. Le moule doit être fermé avec de très hautes pressions, pour éviter des contractions. En effet, nous avons des contractions de l ordre de 10% pour les polymères amorphes et de 10 à 20% pour les polymères semi-cristallins N.G."McGrum,"C.P."Bickley,"C.B."Bucknall",Principles"of"polymer"engineering,"1997" 35 Moulage par injection: Les moules N.G."McGrum,"C.P."Bickley,"C.B."Bucknall",Principles"of"polymer"engineering,"1997" 36
Moulage par injection: Les moules De A à B le polymère est comprimé. Si on applique une pression de 1000 atm, contraction de 10%. Comme le moule applique des pressions de plus de 100 atm, environ 10% de polymère en plus rentre dans le moule De B à C le polymère refroidit sous pression. On continue de remplir le moule pour compenser la contraction thermique. Il faut toutefois éviter le surremplissage du moule Lorsque l on arrive à C le matériau dans le canal d injection congèle De C à D le matériau refroidit à volume constant et on atteint la pression atmosphérique De D à E le produit moulé se contracte. La contraction est 1-v e /v d environ 1% alors que si nous avions la contraction du liquide ce serait 1-v e /v a ce qui nous donnerait une contraction de 10% Une machine est donc définie par sa force de fermeture (clamping force) et la masse de PS qui peut être injectée N.G."McGrum,"C.P."Bickley,"C.B."Bucknall"Principles"of"polymer"engineering,"1997" 37 Moulage par injection: Les moules : Exercice Du PMMA est injecté. Le moule est fermé et le polymère lorsque le polymère dans le moule est à 165 o C et sous une pression de 40MPa (point C) Si vous assumer un refroidissement lent, prévoir la température du fondu à laquelle le fondu quand celui-ci est à la température ambiante Pour le PMMA l équation d état cidessous peut être utilisée (10-3 P+2.158x10 5 )(10 3 v-0.734)=83.1 T N.G."McGrum,"C.P."Bickley,"C.B."Bucknall",Principles"of"polymer"engineering,"1997" 38
Moulage par injection: Les moules La position et conception de l entrée doivent être bien faites: - Reduction de la viscosité dans le canal d injection Pour controler l écoulement de polymère dans le moule (remplissage et compression) Pour eviter un contact avec le fondu Aussi il faut éviter les lignes de soudage Eviter de les mettre la ou nous pouvons avoir des concentrations de contrainte. Éviter de les avoir là ou l on désire un beau fini de surface N.G."McGrum,"C.P."Bickley,"C.B."Bucknall,Principles"of"polymer"engineering,"1997" " 39 Moulage par injection: Les moules Polymère trop fluide Moule mal conçu Le MFI n est pas une donnée suffisante pour savoir quel polymère utiliser en injection Si la viscosité du polymère est trop élevée les contraintes seront trop élevées et les chaines orientées. J.M. Dealy, K.F. Wissbrun: Melt Rheology and its Role in Plastics Processing: Theory and Applications, Van Nostrand Reinhold, New York, 1999 40
Moulage par injection: Les moules J.M. Dealy, K.F. Wissbrun: Melt Rheology and its Role in Plastics Processing: Theory and Applications, Van Nostrand Reinhold, New York, 1999 41 Moulage par injection: Lignes de soudage Les moules coutent très très cher. La conception des moules est désormais assistée par ordinateur Lors de la conception, on peut voir ou vont se localiser les lignes de soudages en fonction de la localisation des canaux d injection, pour éviter des contraintes résiduelles Des mailles triangulaires ont été utilisées pour faire les simulations numériques On peut prévoir les températures, le remplissage du moule N.G."McGrum,"C.P."Bickley,"C.B."Bucknall,Principles"of"polymer"engineering,"1997" 42
Moulage par injection: Lignes de soudage:exercice On injecte une boite rectangulaire qui mesure 20 x 12 cm et 10 cm de hauteur. L entrée du fondu se fait au centre de la base comme il est montré cidessus. Si on assume une vitesse uniforme du fondu, déterminer les lignes de soudage. 43