Soutenance mémoire
Depuis les années vingt, un nouveau matériau macromoléculaire a été découvert. Ce dernier est utilisé dans divers domaines tels la chimie, la mécanique, l’électronique, ou l’optique. C’est la nature particulière de ces molécules sous forme de chaîne, ainsi que la variété des modes d’assemblage qu’elles adoptent, qui est à l’origine de cette diversité. L’usage des matériaux polymères dans la vie courante s’est considérablement répandu ces dernières années. Depuis 1970, les tonnages produits dans le monde ont été quintuplés alors que ceux de l’aluminium ont été multipliés par 3 et ceux de l’acier par 1,6. Les applications sont également variées grâce à leurs propriétés intéressantes. Ainsi, la facilité de mise en œuvre de ces matériaux et leur faible coût constituent deux facteurs favorisant leur développement industriel ; ils trouvent de ce fait, des applications dans tous les grands secteurs industriels.
NOTION SUR LE PROCEDE DU ROTOMOULAGE
Le rotomoulage est un procédé de mise en œuvre des polymères thermoplastiques, utilisant uniquement l’effet de la chaleur et de la vitesse, sans aucune pression, ni collage, ni soudure. Il permet la fabrication des pièces creuses complètement fermées ou ouvertes à parois simples ou multicouches, ayant des contenances courantes de 0,5 à 50000 litres et des épaisseurs de 0,5 à 20 mm [1]. Le procédé du rotomoulage a été développé dans les années 40 mais au commencement, il a attiré peu d’attention et il est resté longtemps un procédé marginal en raison des deux principaux handicaps qu’il présentait : un temps de cycle important en comparaison aux autres procédés, ce qui le cantonnait aux petites séries et une gamme très limitée de polymères utilisables. En effet, il était surtout destiné à des pièces peu techniques (jouets, balises, silos, etc.) [2]. Cependant vers la fin des années 50, la situation a nettement changé avec l’introduction des poudres en polyéthylène et depuis vingt ans, les progrès dans les matériaux transformables ainsi que dans les moyens de contrôle du procédé, ont conduit les concepteurs à considérer cette technologie comme une intéressante alternative à d’autres procédés de fabrication.
Pendant la décennie passée, un certain nombre d’améliorations significatives ont été apportées à cette technique et à l’heure actuelle, de nouveaux types de machines, de moules et de matériaux sont disponibles pour pouvoir fabriquer par rotomoulage différentes pièces techniques à l’exemple des pièces en polymères renforcés (chargés) ou des pièces multicouches (polymère/polymère, polymère/mousse/polymère) [3]. Le développement de ce procédé est tel qu’aujourd’hui, il est devenu possible d’envisager la réalisation de pièces techniques économiquement attractives, répondant aux exigences de nombreux secteurs comme l’automobile, le génie civil ou encore le sport et les loisirs. Dans certains cas, le rotomoulage est devenu une alternative intéressante à l’extrusionsoufflage [4]. Le principal inconvénient du rotomoulage par rapport aux techniques de mise en œuvre conventionnelles (extrusion, injection, etc.) est le temps de cycle relativement long. Le polymère est porté à l’état liquide à haute température en présence d’air pendant plusieurs dizaines de minutes [5]. Or, les polymères sont caractérisés par l’existence d’un plafond de dégradation thermique dans l’espace (température, temps). Il existe donc des risques de dégradation thermique importants et le choix d’un système de stabilisation efficace, protégeant le polymère pendant toute la durée de l’opération de mise en œuvre, apparaît comme particulièrement cruciale pour ce procédé.
Principales étapes du rotomoulage
– Chargement du moule : un moule creux est chargé d’une quantité prédéterminée de polymère en poudre. La taille de la charge peut être déterminée sur la base de la superficie du moule, de l’épaisseur voulue et de la densité du matériau.
– Chauffage : on ferme le moule qui commence à tourner dans un environnement chaud. C’est souvent un four de convection d’air chaud où la température est supérieure à la température de fusion, Tf , du polymère. Le moule tourne autour de deux axes orthogonaux dont la vitesse de rotation est relativement faible, en général jusqu’à 40 tours/min. Le chauffage entraîne la fusion de la poudre et celle ci commence à adhérer à la surface du moule. La chauffe est maintenue afin de permettre aux particules de coalescer puis aux bulles de disparaître.
– Refroidissement : quand le polymère fondu est bien distribué de façon homogène sur la paroi du moule, ce dernier sort du four et se déplace dans la zone de refroidissement. Pendant cette étape, le moule continue à faire sa rotation jusqu’à la solidification de la pièce. Le refroidissement est assuré par la ventilation ou par un jet d’eau.
– Démoulage : une fois que la pièce s’est refroidie suffisamment, le moule peut alors être ouvert et la pièce retirée. Après démoulage, le processus peut être répété. Pour faciliter le démoulage, on utilise assez souvent un agent de démoulage. Dans ce cas, on couvre la surface interne du moule par une couche d’agent de démoulage avant le chargement du moule par le polymère.
Les différentes phases d’un cycle de rotomoulage
La température de consigne du four est assez différente de celle à l’intérieur du moule et la température de ce dernier ou de son contenu, sont très dépendantes de celle du four, mais elles dépendent également d’autres facteurs tels la quantité et la nature du polymère, le rapport surface/volume du moule, la matière avec laquelle est fabriqué le moule et enfin, son épaisseur. La température de l’air à l’intérieur du moule donne une idée assez précise des changements d’état physique du polymère, en particulier en début et fin de fusion, ou quand il commence à cristalliser.
Comportement du polymère dans le moule
Quand le moule tourne dans le four, sa paroi métallique devient chaude et la surface des particules de poudre devient visqueuse. Les particules se collent aux parois de moule et entre eux, de ce fait une couche de polymère fondu se forme contre les parois de moule. Les poches irrégulières de gaz emprisonnées entre les particules de poudre se transforment lentement en sphères. Au cours de la fonte, la viscosité est trop grande pour que les bulles puissent s’échapper. Ainsi, elles demeurent emprisonnées là où elles sont formées et leur taille diminue lentement sous l’effet de la diffusion du gaz dans le polymère fondu.
Les paramètres de contrôle du processus sont : la température du four, le temps de séjour du polymère et la vitesse de refroidissement. Chacune de ces variables à un effet principal sur les propriétés du produit final.
– Si le temps de chauffage est trop court ou la température du four est basse, alors la fusion et la consolidation du plastique n’auront pas le temps pour s’effectuer. Ceci a comme conséquence une faible rigidité et un manque de dureté dans le produit final.
– Réciproquement, si le polymère est chauffé trop longtemps, une dégradation du polymère peut se produire et ceci a comme conséquence la fragilité du produit final.
– Si le temps de chauffage est bien optimisé on peut obtenir une pièce performante en sachant que le mode de refroidissement peut avoir un effet significatif sur la qualité du produit final. En dernier lieu la masse molaire, la stabilité thermique et la vitesse de cristallisation [3,6] sont des caractéristiques qui jouent un rôle majeur dans le procédé de moulage par rotation.
Principaux avantages et inconvénients du rotomoulage
Avantages du rotomoulage
Parmi les nombreux avantages concurrentiels du rotomoulage, on notera que :
– Ce procédé est particulièrement bien adapté pour les grosses pièces de forte épaisseur, pour des pièces techniques multi-couches et des pièces de formes complexes, ou bien d’épaisseur quasi uniforme.
– Les moules sont relativement peu coûteux ; ceci résulte du fait que le rotomoulage est un processus de basse pression. La haute résistance des moules n’est pas exigée.
– Les pièces ont une bonne uniformité d’épaisseur de paroi, comparée à celles produites par le soufflage.
– Aucune ligne ou joints de soudure.
– C’est un procédé compétitif particulièrement pour les petites et moyennes séries.
– En rotomoulage, il n’y a pas de perte du matériau.
– Des inserts en plastique ou en métal peuvent être facilement fixés sur le moule et rotomoulés.
– Il est possible de rotomouler des matériaux composites et les polymères chargés.
– On peut utiliser le moule comme un réacteur pour la polymérisation (thermodurcissables ou élastomères,…) et pour la modification chimique des systèmes réactifs.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1. Notion sur le procédé du rotomoulage
I.1.1. Principales étapes du rotomoulage
I.1.2. Les différentes phases d’un cycle de rotomoulage
I.1.3. Comportement du polymère dans le moule
I.1.4. Principaux avantages et inconvénients du rotomoulage
I.1.4.1. Avantages du rotomoulage
I.1.4.2. Inconvénients du rotomoulage
I.2. Généralités sur les polyamides
I.2.1. Historique des polyamides
I.2.2. Préparation des polyamides
I.2.3. Propriétés des polyamides
I.2.3.1. Propriétés physiques
I.2.3.2. Propriétés chimiques
I.2.3.3. Propriétés électriques et thermiques
I.2.3.4. Addition de charges, renforts et adjuvants
I.2.3.5. Propriétés dimensionnelles
I.2.3.6. Stabilisants thermiques utilisés dans le polyamide 6
I.2.4. Domaines d’application des polyamides
I.2.4.1. Emploi du polyamide 6 (PA6)
I.2.4.2. Emploi du polyamide 11 (PA11)
I.2.4.3. Emploi du polyamide 12 (PA12)
I.2.5. Polyamides et rotomoulage
I.3. Morphologie et cristallisation des polymères
I.3.1. Morphologie cristalline
I.3.2. Cristallisation des polymères
I.3.2.1. Germination
I.3.2.2. Croissance cristalline
I.3.2.3. Cristallisation secondaire
I.3.3. Théorie de la cinétique globale de cristallisation
I.3.3.1. Cas d’une cristallisation isotherme
I.3.3.2. Cas d’une cristallisation anisotherme
I.3.3.3. Expression de la vitesse de croissance
I.3.3.4. Expression de la vitesse de germination et de la densité initiale des germes
I.3.3.5. Détermination expérimentale de la cinétique globale de cristallisation
I.4. Dégradation des polymères
I.4.1. Vieillissement thermo-oxydatif
I.4.2. L’auto-oxydation
I.4.2.1. L’initiation
I.4.2.1.1. Décomposition unimoléculaire
I.4.2.1.2. Décomposition biomoléculaire
I.4.2.2. La propagation
I.4.2.3. La terminaison
I.4.3. Application aux polyamides aliphatiques
I.5. Modélisation de la dégradation thermo-oxydative en conditions isothermes
Chapitre II : MATERIAUX ET METHODES DE CARACTERISATION
II.1 Matériaux
II.1.1. Elaboration des films
II.2. Méthodes de caractérisation
II.2.1. Analyse granulométrie
II.2.2. Analyse viscosimétrique
II.2.3. Spectrophotométrie Infrarouge à Transformée de Fourier
II.2.4. Spectrophotométrie UV- visible
II.2.5. Diffraction des rayons X (DRX)
II.2.6. Calorimétrie différentielle à balayage
II.2.7. Microscopie optique
II.2.8. Analyse thermogravimétrique
II.2.9. Analyse mécanique dynamique
Chapitre III: CRISTALLISATIONS ET INTERPRETATIONS
III.1 Caractérisation physico-chimique
III.2. Analyse viscosimétrique
III.3. Spectrophotométrie Infrarouge à Transformée de Fourier
III.4. Spectrophotométrie UV- visible
III.5. Diffraction des rayons X
III.6. Analyse par DSC
III.7. Analyse thermogravimétrique
III.8. Analyse dynamique mécanique
Chapitre IV : CRISTALLISATION ANISOTHERME DES POLYAMIDES
IV.1. Procédure expérimentale
IV.2. Effet de l’histoire thermomécanique sur la cristallisation des polymères
IV.3. résultats et discussion
IV.3.1. Etude de la cristallisation par application de la théorie d’Ozawa
IV.3.2. Détermination de la fonction de refroidissement selon l’approche de Duffo
IV.3.3. Validation de la théorie d’Ozawa
IV.3.4. Modèle d’Avrami modifié
IV.3.4.1. Théorie de Jeziorny
IV.3.4.2. Théorie de Mo
IV.3.5. Validation du modèle d’Avrami modifié
IV.3.6. Comparaison entre le modèle d’Ozawa et le modèle d’Avrami modifié
CONCLUSION GENERALE
