La société Tarkett et les revêtements de sol

La société Tarkett et les revêtements de sol 

Ce travail de thèse a été effectué en collaboration avec la société Tarkett, un leader mondial dans le domaine des revêtements de sols et de surfaces de sports. Les produits proposés par Tarkett offrent des solutions de revêtements de sols pour l’habitation, l’éducation, la santé, les bureaux, le commerce, l’hôtellerie ou encore le sport. Elle est issue du rachat de l’entreprise suédoise Tarkett par le groupe Sommer-Allibert, qui en adopte le nom pour le groupe en 2003, lorsqu’elle se tourne totalement vers les revêtements de sols. La R&D a été réorganisée en 2009 et regroupée dans un site unique à Wiltz au Luxembourg .

Dans cette étude, seul le revêtement de sol vinyle hétérogène est étudié. Il est constitué (Figure 1) de plusieurs couches permettant d’obtenir les propriétés physiques, chimiques et mécaniques recherchées.

Par exemple le procédé de fabrication utilisé dans l’usine de Konz (Allemagne) comporte six étapes d’enduction à température ambiante, permettant de déposer des couches ayant chacune un rôle spécifique. Quatre d’entre elles utilisent du plastisol qui est une suspension complexe constituée entre autres de particules de résine de PVC et de charge minérale dans une phase liquide composée principalement de plastifiant (la composition précise est détaillée par la suite). Chaque étape d’enduction est suivie d’une étape de prégélification sur cylindre gélificateur à une température située entre 60 et 120°C, suivie d’une étape finale de gélification dans un four à 175-200°C.

Cette ligne d’enduction, dont la longueur totale est d’environ 800 m se présente ainsi:
♦ Le substrat, un voile de verre de 0,10 mm d’épaisseur et de 4m de large, est déroulé pour la première étape de l’enduction. Il donne la tenue du produit et évite le retrait.
♦ 1ère étape : Le voile de verre est imprégné de plastisol compact (c’est-à-dire qui n’expanse pas, contrairement aux mousses), d’une épaisseur e = 0,40 mm. Cette étape utilise le procédé « semi reverse roll » (décrit au paragraphe 1.3.2). C’est cette couche de support qui permet d’avoir une sous-couche lisse.
♦ 2ème étape : Une couche de support en mousse expansée dite « belle face » d’épaisseur variant de e = 0,12 à 0,15 mm est déposée en utilisant le procédé d’enduction « à la racle ».
♦ 3ème étape : La mousse expansée « belle face » précédemment enduite, qui apparait à la vue de la personne se déplaçant sur le revêtement de sol, est imprimée par rotogravure.
♦ 4ème étape : La couche d’usure (un vernis protecteur du décor imprimé) d’une épaisseur variant de e = 0,12 à 0,70 mm est ensuite déposée en utilisant à nouveau le procédé d’enduction « à la racle ».
♦ 5ème étape : La couche « mousse dos » est déposée sur l’envers du substrat en utilisant aussi le procédé d’enduction « à la racle ». Son épaisseur varie entre e = 0,15 et 0,80 mm. Cette couche de support donne de bonnes propriétés acoustiques avec des performances mécaniques et une bonne résistance à l’indentation.
♦ Le produit multicouche obtenu est ensuite passé au four à 175-200°C pendant deux ou trois minutes afin que les différentes couches se gélifient.
♦ 6ème étape : Une étape de grainage créant une empreinte à la surface du décor (ici sur les deux faces) est effectuée sur le produit fini.
♦ 7ème étape : Une couche de polyuréthane est finalement ajoutée (selon les cas) en utilisant le procédé « semi reverse roll ». C’est à la fois une couche barrière aux composés organiques volatils et une protection contre les tâches et les éraflures.

Les plastisols

Un plastisol est pour l’essentiel une suspension de particules de résine de PVC dans une phase liquide composée de plastifiant. Le rôle du plastifiant lorsqu’il est mélangé et incorporé dans le PVC est d’une part de permettre l’enduction à l’état liquide et d’autre part de permettre la gélification à une température comprise entre 140 et 200°C. Il devient alors un produit solide uniforme et ce processus est irréversible. Ce point (la gélification) est essentiel dans le procédé de fabrication des revêtements de sol mais il ne fait pas l’objet de cette étude. Le plastisol comporte aussi des charges minérales et des additifs tels que des stabilisants, pigments, agents gonflants etc. La nature et la quantité de ces additifs dans la formulation ont un impact sur la rhéologie de la pâte et sur les propriétés du produit fini.

La composition

La composition précise d’un plastisol est décrite ci-dessous :

Le plastifiant :
La phase liquide est constituée du « plastifiant ». Sa nature influe sur les propriétés mécaniques et physiques du produit fini. Les phtalates tels que les benzyl butyl phthalate (BBP), di (ethyl2-hexyl) (DOP), phthalate diheptyl (DHP), diisononyl phthalate (DINP) et le diisodecyl phthalate (DIDP) étaient généralement les plus utilisés. En raison des contraintes environnementales, la tendance est de les remplacer par des plastifiants sans phtalates tel que le 1,2-cyclohexane dicarboxylic acid, di-isononyl ester (DINCH). Les plastifiants utilisés ont un comportement Newtonien.

Les résines PVC :
Les résines PVC polymérisés en émulsion ou micro-suspension sont le produit de base des plastisols dont la viscosité dépend fortement de la taille et la distribution des tailles de ces particules : de 1 µm pour les particules élémentaires jusqu’à 50 µm pour les agglomérats. Elles existent sous forme homopolymère ou copolymère de chlorure de vinyle et d’acétate de vinyle. Les copolymères sont généralement utilisés pour abaisser la température de gélification du plastisol. Des résines de PVC constituées de particules de plus grosses tailles (de 20 à 50 µm pour les particules élémentaires) existent et sont appelées extender. Elles sont obtenues par polymérisation en suspension ou en masse et généralement utilisées pour abaisser la viscosité. Les résines de PVC sont choisies pour cibler la viscosité du plastisol et les propriétés mécaniques désirées du produit fini.

Les stabilisants :
Le PVC est sensible à la lumière et à la température. Pour contrôler et stabiliser ce phénomène avant mise en forme, plusieurs types de stabilisants tels que des sels de barium (stabilisation en température) et des sels de calcium ou de zinc solide ou liquide (stabilisation à la lumière) sont utilisés.

Les charges :
Elles sont introduites dans certains plastisols pour des raisons économiques ou techniques comme le toucher sec, la matité, la résistance aux flammes ou encore pour modifier la rhéologie de la pâte. Les propriétés mécaniques du produit fini sont modifiées dès l’ajout de plus de 20 pcr (masse pour 100 parties de résine) de charges dans la formulation. La craie est la charge la moins chère, et peut être ajoutée à des taux d’environ 50 pcr sans modifier la rhéologie de la pâte, elle est ajoutée à des taux supérieurs à 100 pcr dans des formulations type mousse. D’autres charges sont aussi utilisées. Par exemple le kaolin permet d’abaisser les coûts de mélange et d’assurer une meilleure tenue à la rayure et à l’abrasion, le sulfate de baryte augmente la densité du produit fini, la silice colloïdale est un agent matant et épaississant et enfin l’alumine hydratée améliore la tenue au feu.

Les colorants, pigments et agents gonflants :
Les colorants utilisés sont généralement à base de pigments organiques ou métalliques. Les agents gonflants sont ajoutés aux plastisols pour la réalisation de couches moussées. Ils sont choisis en fonction des autres ingrédients de la pâte (qui impactent sur leurs propriétés) et de la densité de mousse désirée.

La taille des particules des résines PVC et des charges n’est pas du même ordre. En effet, comme mentionné plus haut, les particules élémentaires des résines PVC sont de formes sphériques d’environ 1 µm de diamètre et peuvent se rassembler en agglomérats allant jusque 50 µm souvent très difficiles à disperser. Par contre la charge est constituée de particules ayant une forme beaucoup plus anguleuse et de tailles de l’ordre de 5 à 50 µm.

Table des matières

1 INTRODUCTION
1.1 La société Tarkett et les revêtements de sol
1.2 Les plastisols
1.2.1 La composition
1.2.2 La préparation
1.3 Les procédés d’enduction
1.3.1 Le procédé d’enduction à la racle
1.3.2 Les autres procédés d’enduction
1.3.2.1 Le calandrage
1.3.2.2 Le procédé « semi reverse roll »
1.3.2.3 Le procédé « reverse roll »
1.4 La gélification
1.5 Le problème industriel
2 RHÉOLOGIE DES PLASTISOLS
2.1 Introduction
2.2 Généralités sur les suspensions
2.2.1 Une caractérisation des suspensions
2.2.2 Première approche de la rhéologie des suspensions
2.2.3 Notion de taux de compaction maximum
2.2.4 Le comportement non-Newtonien des suspensions
2.2.5 Le comportement des suspensions de plastisols
2.3 Le choix de formulations modèles
2.4 Protocole expérimental
2.4.1 Mode de préparation des formulations
2.4.2 Les rhéomètres utilisés
2.5 Étude exhaustive de la formulation F2
2.5.1 Rhéologie de Couette
2.5.1.1 Rhéologie dynamique
2.5.1.2 Rhéologie en cisaillement
2.5.1.3 Comparaison rhéologie dynamique et en cisaillement
2.5.1.4 Influence de la dimension de l’écoulement
2.5.2 Rhéométrie capillaire
2.5.2.1 Protocole expérimental
2.5.2.2 Corrections de Bagley
2.5.2.3 Courbe de viscosité capillaire
2.5.2.4 Influence du diamètre du capillaire
2.5.3 Comparaison entre rhéologie Couette et rhéologie capillaire
2.5.4 Une approche simplifiée de la rhéologie élongationnelle
2.5.4.1 La méthode de Cogswell
2.5.4.2 Un modèle plus réaliste
2.5.4.3 Viscosité élongationnelle du plastisol F2
2.6 Influence de la distribution de tailles de particules de PVC
2.6.1 Comparaison des courbes de viscosité Couette à taux de charge constant
2.6.2 Influence de la fraction volumique des particules de PVC
2.7 Influence de l’introduction des charges CaCO3
2.7.1 Rhéologie en cisaillement en fonction de l’ajout de charges de faible diamètre (D10)
2.7.2 Rhéologie en fonction de la taille des charges minérales
2.7.3 Influence du taux global de charges (PVC+CaCO3) à proportion constante entre les deux types de charges
2.7.4 Influence du ratio particules de PVC/particules de CaCO3
2.7.5 La rhéologie élongationnelle des formulations avec charges minérales
2.8 La rhéologie des formulations industrielles
2.9 Conclusion du chapitre 2
3 MODÉLISATION DES ÉCOULEMENTS DE PLASTISOL
3.1 Introduction
3.2 Retour sur la rhéologie capillaire
3.2.1 Le calcul d’un écoulement de Poiseuille tube
3.2.2 Application à la formulation F2
3.2.3 Exemple de la formulation F2D40
3.3 Application à l’écoulement sous la racle
3.3.1 Les Approximations de la Lubrification Hydrodynamique (ALH)
3.3.2 Calcul de l’écoulement sous la racle dans le cas d’un fluide Newtonien
3.3.3 Calcul de l’écoulement sous la racle en utilisant la rhéologie réelle du plastisol
3.3.3.1 L’épaisseur déposée
3.3.3.2 Calcul du champ de vitesse
3.3.3.3 Calcul des efforts de couchage
3.3.3.4 Calcul des taux de cisaillement
3.3.4 Influence des conditions opératoires
3.3.4.1 La vitesse du cylindre
3.3.4.2 L’entrefer
3.3.4.3 L’angle de la racle
3.3.5 Influence de la formulation
3.4 Conclusion du chapitre 3
4 CONCLUSION

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