Étude de l’extrusion monovis de mélanges d’élastomères

Le procédé d’extrusion monovis est utilisé pour la réalisation d’un grand nombre de profilés à base d’élastomères chargés, destinés à des applications dans le domaine de l’automobile ou du bâtiment. La compréhension et la modélisation des phénomènes physiques qui sont mis en jeu au cours de ce procédé constituent l’objectif du travail de recherche. Les résultats obtenus devraient permettre de mieux maîtriser les outils de production, en étant capable d’optimiser les profils de vis et/ou les conditions opératoires. La modélisation des écoulements de polymères en général, et des élastomères en particulier, s’avère être un besoin actuel de l’industrie. L’extrusion, de loin le mode de transformation le plus utilisé à l’heure actuelle pour les thermoplastiques, ne représente que 10% de la mise en œuvre des mélanges élastomères. En revanche, l’injection représente 75% de la production des caoutchoucs. Procédé continu, l’extrusion est utilisée pour fabriquer des produits finis ou semi produits (films, plaques, tubes, profilés…). Les mélanges à base d’élastomères ont une formulation très complexe et sont de nature très variée. Ils comportent généralement une dizaine d’ingrédients qui sont introduits dans un ordre bien défini à différents intervalles de temps. Alors que la recherche dans l’extrusion des thermoplastiques est largement développée, celle dans le domaine des élastomères reste encore très limitée. On peut penser que les techniques développées pour l’extrusion des thermoplastiques pourraient être directement appliquées aux élastomères, mais il existe néanmoins des différences fondamentales entre ces matériaux.

Généralités sur le caoutchouc

Le caoutchouc fait partie de substances appelées hauts polymères dont la principale caractéristique est la grande longueur des chaînes moléculaires qui les constituent. De ce fait, il possède une bonne élasticité dans une large gamme de température ( de –50 à 150 °C environ ), c’est pourquoi on le désigne assez souvent par le terme d’élastomère. Contrairement aux thermoplastiques semi-cristallins, les élastomères ne présentent pas de point de fusion. Leur zone de transition vitreuse est située aux alentours de –70 °C. Au dessus de cette température, ils sont dans un état dit caoutchoutique. Les caoutchoucs et élastomères sont les seuls matériaux industriels qui retournent pratiquement à leurs dimensions initiales après avoir subi des déformations importantes. Ceci les rend irremplaçables pour résoudre de façon simple et peu onéreuse les problèmes de liaisons élastiques ou souples, d’amortissement et d’étanchéité.

Les différentes familles d’élastomères

On distingue essentiellement deux familles d’élastomères : les caoutchoucs naturels et les élastomères de synthèse. Les caoutchoucs naturels sont obtenus par coagulation du latex provenant d’un arbre, l’Hévéa Brasiliensis, qui pousse exclusivement dans la région équatoriale de l’hémisphère sud. Originaire du bassin de l’Amazone, il est implanté essentiellement en Asie du Sud Est (Malaisie, Indonésie, Thaïlande …), mais également en Afrique (Libéria, Nigeria, Zaïre, Côte d’Ivoire, Cameroun …). Le latex est obtenu par des saignées en spirale et l’écoulement dure 4 à 5 heures. La saignée est réouverte périodiquement. Connue des Mayas et vraisemblablement utilisée comme imperméabilisant des vêtements et chaussures ainsi que comme balle à jouer, la gomme naturelle a été rapportée en Europe pour la première fois par Christophe Colomb. Mais ce n’est que deux siècles et demi plus tard que l’intérêt commercial et scientifique de la gomme, baptisé “cahutchu” (bois qui pleure ) par les indiens, est dégagé par La Condamine et Fresneau. Toutefois, il ne se développa industriellement qu’après la découverte, en 1839 par Charles Goodyear, de la vulcanisation par le soufre qui permet de développer les propriétés les plus intéressantes. Les caoutchoucs et élastomères de synthèse sont apparus plus tard, dans les années 1920 et 1930 : Buna, Buna S, Néoprène, etc. La diversité des applications, dont la plus connue et la plus importante est le pneumatique, a provoqué un développement important de la consommation mondiale.

Le latex est quelquefois utilisé directement, par exemple pour la fabrication d’objets trempés (gants, …), de fils élastiques, de mousses. Le caoutchouc naturel a de bonnes propriétés de résilience, de résistance à la traction, au déchirement et à la fatigue dans une large gamme de dureté. Il conserve une bonne élasticité à basse température. L’ensemble de ces propriétés permet de l’utiliser dans de multiples applications, en particulier les pneus pour poids lourds et les pièces mécaniques utilisées notamment en régime dynamique. Il représente un tiers de la consommation. Ses limites se situent au niveau du vieillissement – à la chaleur, à l’ozone et aux intempéries – et de sa mauvaise tenue vis à vis des huiles et des solvants. Aujourd’hui, le caoutchouc naturel ne suffirait plus à pourvoir la demande ; on est donc obligé d’avoir recours aux caoutchoucs de synthèse, fabriqués à partir d’hydrocarbures ; ils représentent les 2/3 du marché. En effet, le développement considérable des élastomères synthétiques n’est pas dû au fait qu’il s’agit de produits nouveaux supérieurs au caoutchouc naturel (ce dernier est irremplaçable dans nombre de domaines), mais qu’il résulte d’un besoin brutal du monde moderne, localisé dans le temps, et provoqué par l’expansion rapide du pneumatique et de l’automobile.

Les copolymères butadiène-styrène (SBR)
Seuls les mélanges renforcés sont utilisés industriellement. Les propriétés de traction et la résistance à l’abrasion sont bonnes. La résilience est assez moyenne et l’échauffement interne est relativement important, ce qui limite l’utilisation en régime dynamique. La résistance au déchirement et à la propagation d’entailles est plutôt moyenne, mais la résistance aux flexions répétées est bonne. La tenue aux différents vieillissements est limitée. Les SBR représentent la classe la plus importante de tous les élastomères, avec près de 40 % de la consommation mondiale.

Les polybutadiènes (BR)
Presque toujours utilisés en coupage, notamment avec les SBR, leurs propriétés mécaniques sont plus faibles que celles des mélanges correspondants à base de SBR et surtout de caoutchouc naturel. En revanche, les polybutadiènes ont un échauffement interne encore plus faible que le caoutchouc naturel et leur tenue à très basse température est remarquable. La résistance aux différents types de vieillissement, aux huiles et aux solvants est faible. Très utilisés dans le pneu, ils représentent environ 10 % de la consommation mondiale.

Les caoutchoucs butyl (IIR) et butyl-halogènes
Ils sont principalement utilisés pour leurs excellentes caractéristiques d’imperméabilité, en particulier, pour les chambres à air et l’imperméabilisation des pneus sans chambres. Ils sont également résistants à la chaleur, aux intempéries et aux produits chimiques.

Les copolymères d’éthylène et de propylène (EPM et EPDM)
Ils sont utilisés (7 % de la consommation) pour leur remarquable résistance au vieillissement, leurs bonnes propriétés mécaniques et leur comportement au froid dans une large gamme de dureté. La tenue aux huiles et solvants hydrocarbonés est médiocre.

Les polychloroprènes (CR)
Ils sont utilisés (2 % de la consommation) pour leurs propriétés mécaniques et leur tenue au vieillissement, aux flexions répétées et aux huiles aliphatiques. La tenue au froid est plus limitée.

Les copolymères butadiène-acrylonitrile ou caoutchoucs nitrile (NBR) 

Ils sont utilisés (2 % de la consommation) pour leur résistance aux huiles, solvants et graisses qui dépend de leur teneur en nitrile acrylique.

La consommation mondiale des élastomères a été évaluée à 16.5 millions de tonnes. Ces élastomères sont classés en trois catégories principales : Les caoutchoucs à usages généraux et non résistants aux huiles ; il s’agit du caoutchouc naturel (NR) et de son homologue, le polyisoprène de synthèse (IR), des copolymères butadiènestyrène (SBR), des polybutadiènes (BR). Les caoutchoucs à usages spéciaux présentant en particulier une bonne résistance vis à vis des liquides agressifs (solvants, acides, bases…) d’une part, ou vis à vis des huiles et carburants d’autre part, ainsi qu’un meilleur comportement à haute température. Il s’agit des terpolymères d’éthylène, de propylène et d’un diène (EPDM), des copolymères d’isobutylène et d’isoprène (IIR), des polychloroprènes (CR), et des copolymères butadiène acrylonitrile (NBR). Les caoutchoucs techniques sont d’un prix plus élevé. Leur consommation est forcément plus limitée (1 à 10 % de la consommation totale par famille). Les caoutchoucs à usages très spéciaux, qui présentent le plus souvent d’excellentes tenues thermiques et/ou une inertie chimique remarquable. On peut citer les élastomères de silicone, les polyacryliques, les polyépichlorhydrines, les polyéthylènes chlorés et chlorosulfonés, les élastomères fluorés, les polyuréthannes. Cette catégorie représente environ 5% de la consommation totale. Les caoutchoucs de spécialité sont d’un prix élevé (jusqu’à 1 000 F par kg).

Les mélanges à base d’EPDM

Les mélanges que nous avons utilisés lors de cette étude sont à base d’EPDM. Il nous semble donc opportun et justifié de présenter quelque peu ces mélanges d’élastomère. Les premiers copolymères éthylène-propylène amorphes possédant des propriétés élastiques ont été développés en 1951 par Natta. Compte tenu de leur facilité de fabrication, du faible coût des monomères utilisés, on aurait pu penser que ces élastomères prendraient très rapidement une place prépondérante. Or, aujourd’hui, ils ne représentent que 4% de la consommation mondiale de caoutchouc. En effet, les premiers copolymères commercialisés n’étaient vulcanisables que par les peroxydes organiques, du fait de leur saturation complète, mode de vulcanisation peu prisé par les transformateurs. Mais l’apparition des terpolymères vulcanisables par les moyens classiques n’a pas, pour autant, levé les difficultés qui peu à peu se sont révélées, par exemple à l’impossibilité d’utiliser ce type d’élastomères pour la fabrication des pneumatiques en raison de leur mauvais collant de confection. En contrepartie, ils peuvent absorber des quantités importantes de charges et de plastifiants (diminution importante du prix de revient) et ils ont, en outre, de remarquables propriétés de vieillissement. Pour ces deux raisons, ils ont trouvé de nombreux débouchés dans tous les secteurs du caoutchouc industriel.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
I. INTRODUCTION
II. GÉNÉRALITÉS SUR LE CAOUTCHOUC
II.1. LES DIFFÉRENTES FAMILLES D’ÉLASTOMÈRES
II.2. LES MÉLANGES À BASE D’EPDM
II.3. L’OPÉRATION DE MÉLANGEAGE
II.4. MISE EN FORME DES MÉLANGES D’ÉLASTOMÈRES
II.5. LES GRANDES UTILISATIONS DES CAOUTCHOUCS VULCANISÉS
III. L’EXTRUSION DES CAOUTCHOUCS
III.1. HISTORIQUE DE L’EXTRUSION DE CAOUTCHOUC
III.2. SPÉCIFICITÉ DE L’EXTRUSION DE CAOUTCHOUC
IV. BUT DE L’ÉTUDE
CHAPITRE I : RHEOLOGIE DES MELANGES D’ELASTOMERES
I. INTRODUCTION
II. SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE : COMPORTEMENT RHÉOLOGIQUE DES MÉLANGES D’ÉLASTOMÈRES
II.1. ETUDE RHÉOLOGIQUE DES MÉLANGES D’ÉLASTOMÈRES
II.1.1. Viscosimètres rotationnels
II.1.2. Rhéomètre capillaire
II.2. MISE EN ÉVIDENCE DU GLISSEMENT À LA PAROI
II.2.1. Instruments d’extrusion
II.2.1.1. Filière rainurée
II.2.1.2. Méthode de Mooney
II.2.1.3. Visualisation
II.2.1.4. Influence de la pression
II.2.2. Instruments rotationnels
II.2.2.1. Différents états de surface de l’outillage
II.2.2.2. Visualisation
II.2.2.3. Influence de la pression
II.2.2.4. Influence de la température
II.2.3. Quantification du glissement
II.2.3.1. La méthode de Mooney
II.2.3.2. La méthode de Wiegreffe
II.2.3.3. La méthode de Geiger
II.2.3.4. La méthode de Mourniac
II.2.3.5. Méthode inverse
II.2.4. Interprétation du glissement
II.3. CONCLUSION
III. ETUDE EXPÉRIMENTALE : CARACTÉRISATION RHÉOLOGIQUE DES MÉLANGES D’ÉLASTOMÈRES
III.1. INTRODUCTION
III.2. CARACTÉRISATION RHÉOLOGIQUE DU MÉLANGE A
III.2.1. Le Mélange
III.2.2. Le viscosimètre de Mooney
III.2.2.1. Principe
III.2.2.2. Mesures
III.2.3. La rhéométrie plan-plan dynamique
III.2.3.1. Principe
III.2.3.2. Mesures
III.2.4. Rhéométrie capillaire
III.2.4.1. Le rhéomètre
III.2.4.2. Les mesures
III.2.4.3. Dépouillement du glissement
III.2.4.4. Viscosité
III.2.4.5. Thermodépendance de la viscosité
III.2.5. Confrontation des résultats
III.2.5.1. Comparaison Mooney / Capillaire
III.2.5.2. Comparaison Plan-plan / Capillaire
III.2.6. Conclusion
III.3. CARACTÉRISATION RHÉOLOGIQUE DU MÉLANGE B
III.3.1. Le mélange
III.3.2. La mesure
III.3.2.1. Méthode de Mooney
III.3.2.2. Méthode de Wiegreffe
III.3.2.3. Méthode de Geiger
III.3.3. Synthèse
III.4. CONCLUSION
CHAPITRE II : EXTRUSION DES MELANGES D’ELASTOMERES
I. SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE : EXTRUSION DES MÉLANGES D’ÉLASTOMÈRES
I.1. INTRODUCTION
I.2. DESCRIPTION GLOBALE DE L’ÉCOULEMENT DANS LES VIS D’EXTRUDEUSE
I.2.1. Extrudeuse monovis simple étage
I.2.1.1. Le remplissage de la vis
I.2.1.2. Les modes d’alimentation en jeu
I.2.2. Extrudeuse monovis double étage, dégazeuse
I.3. DESCRIPTION DES ÉCOULEMENTS ET DU MÉLANGEAGE DANS LES VIS D’EXTRUDEUSE
I.4. CONCLUSION
II. ETUDE EXPÉRIMENTALE DE L’EXTRUSION DES MÉLANGES
II.1. INTRODUCTION
II.2. PRÉSENTATION DU MATÉRIEL UTILISÉ
II.2.1. L’extrudeuse Troester
II.2.1.1. La machine
II.2.1.2. Les vis
II.2.1.3. Les filières
II.2.2. L’extrudeuse Collin
II.2.2.1. La machine
II.2.2.2. Les vis
II.2.2.2.1. La Vis 1
II.2.2.2.2. La Vis 2
II.2.2.2.3. Les vis modulaires
II.2.2.3. La filière
II.2.3. Les paramètres mesurés
II.2.3.1. La mesure des paramètres expérimentaux
II.2.3.2. Remarques sur les mesures de pression
II.2.3.3. Mesure de la distribution de temps de séjour (DTS)
II.2.4. Formulaire
II.2.4.1. Calcul en filière
II.2.4.2. Calcul dans la zone de pompage de la vis
II.3. COMMENT FONCTIONNE UNE EXTRUDEUSE À CAOUTCHOUC
II.3.1. Influence du galet bourreur
II.3.1.1. Le débit
II.3.1.2. Les pressions
II.3.1.3. Le remplissage de la vis
II.3.1.4. Conclusion
II.3.2. Influence de la vitesse de rotation de la vis
II.3.2.1. Le débit
II.3.2.2. La température
II.3.2.3. Les pressions
II.3.2.4. La puissance et l’énergie spécifique
II.3.2.5. Temps de séjour
II.3.2.6. Conclusion
II.3.3. Influence de la température de régulation de la vis
II.3.3.1. Le débit
II.3.3.2. La température
II.3.3.3. Les pressions
II.3.3.4. La puissance et l’énergie spécifique
II.3.3.5. Conclusion
II.3.4. Influence de la température de régulation du fourreau
II.3.4.1. Le débit
II.3.4.2. La température
II.3.4.3. Les pressions
II.3.4.4. La puissance et l’énergie spécifique
II.3.4.5. Conclusion
II.4. COMPARAISON DES MÉLANGES A ET B
II.4.1. Le débit
II.4.2. La température
II.4.3. Les pressions
II.4.4. La puissance et l’énergie spécifique
II.4.5. Conclusion
II.5. COMPARAISON DES PROFILS DE VIS
II.5.1. Comparaison des vis de laboratoire
II.5.1.1. Influence du galet bourreur
II.5.1.2. Influence de la vitesse de la vis
II.5.1.2.1. Le débit
II.5.1.2.2. La température
II.5.1.2.3. Les pressions
II.5.1.2.4. La puissance
II.5.1.2.5. L’énergie spécifique
II.5.1.3. Conclusion
II.5.2. Comparaison des vis industrielles
II.5.2.1. Le débit
II.5.2.2. Les pressions
II.5.2.3. La température
II.5.2.4. La puissance et l’énergie spécifique
II.5.2.5. Conclusion
II.5.3. Comparaison des vis industrielles/laboratoires
II.5.3.1. Comparaison qualitative
II.5.3.2. Comparaison quantitative
II.6. CONCLUSION
CHAPITRE III : MODELISATION DE L’EXTRUSION DES MELANGES D’ELASTOMERES
I. SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1. INTRODUCTION
I.2. APPROCHE GLOBALE DE L’EXTRUSION
I.2.1. Les approximations classiques
I.2.2. Ecoulement longitudinal
I.2.3. Ecoulement transversal
I.2.4. Facteurs de forme
I.2.5. Modèle global
I.3. APPROCHE DE L’EXTRUSION DES ÉLASTOMÈRES
I.3.1. Fluide à seuil
I.3.2. Le glissement à la paroi
I.3.2.1. Modèle Linéaire de glissement
I.3.2.2. Loi puissance de glissement
I.3.2.2.1. Loi puissance sans seuil
I.3.2.3. Les modèles non monotones
I.4. CONCLUSION
II. APPROCHE THÉORIQUE
II.1. INTRODUCTION
II.2. LIMITATIONS DU MODÈLE À UNE DIMENSION
II.2.1.1. Le Modèle 1D
II.2.1.1.1. Mécanique
II.2.1.1.2. Thermique
II.2.1.2. Prise en compte du remplissage partiel de la vis
II.2.1.3. Résultats et validation
II.2.1.3.1. Variation de la vitesse de rotation de la vis
II.2.1.3.2. Variation du débit d’alimentation de l’extrudeuse
II.2.1.3.3. Variation du nombre de Nusselt
II.2.1.4. Comparaison à l’expérience
II.2.2. Les facteurs de forme
II.2.2.1. Calcul des facteurs de forme
II.2.2.2. Comparaison avec la littérature
II.2.2.3. Modèle 1D corrigé grâce aux facteurs de forme
II.2.3. Conclusion
II.3. MODÈLE À DEUX DIMENSIONS
II.3.1. Introduction : Présentation du modèle 2D, problème de Stokes
II.3.1.1. Position du problème mécanique
II.3.1.2. Le formalisme mathématique
II.3.1.3. Résolution du problème de Stokes
II.3.2. Ecoulement longitudinal
II.3.2.1. Le modèle
II.3.2.1.1. Le problème fort
II.3.2.1.2. La formulation faible
II.3.2.1.3. Résolution des équations aux dérivés partielles
II.3.2.2. Résultats
II.3.2.3. Comparaison à l’expérience
II.3.3. Ecoulement transversal
II.3.3.1. Le modèle
II.3.3.2. Résultats, validation
II.3.3.2.1. Poiseuille simple
II.3.3.2.2. Ecoulement transversal
II.3.4. Couplage longitudinal / transversal
II.3.4.1. Résultats
II.3.4.2. Conclusion
II.4. MODÉLISATION 3D
II.4.1. Introduction : Présentation du modèle 3D
II.4.2. Calcul en géométrie déroulée
II.4.3. Calcul en géométrie réelle
II.4.4. Conclusion
II.5. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES

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