Modélisation du procédé de soufflage de gaine multicouche

Soufflage de gaine

Historique : L’utilisation de la technique du soufflage de gaine a débuté au début des années 40. Les premiers films étaient fabriqués avec du polyéthylène afin d’élaborer des emballages étanches à l’eau et possédant une bonne durabilité à basse température. Visking Corporation est créditée pour avoir été l’une des premières entreprises à développer ce type de procédé. Jusqu’en 1960, les améliorations du procédé de soufflage de bulle résultaient de l’initiative des producteurs de films. Ces derniers, grâce à leur expérience, développèrent de nouveaux types de filières et d’anneaux de refroidissement. Au début des années soixante, les producteurs de résines qui désiraient augmenter leurs ventes de matières premières ont acheté de nombreuses entreprises productrices de films et ont rendu publiques ces innovations. Ceci a eu pour conséquence de faire exploser le marché. Par la suite, l’extrusion de nouveaux produits comme le polypropylène et l’acétate de vinyle éthylène (EVA) et le développement de nouvelles technologies comme les filières rotatives, hélicoïdales, et de coextrusion, et les anneaux de refroidissement à double lèvres ont permis de développer des produits de meilleures qualité tout en augmentant la productivité.

Films multicouches

   L’élaboration de films multicouches consiste à combiner différents matériaux de façon à obtenir un film possédant les vertus de chacun des constituants afin d’obtenir un film plus performant qu’un film monocouche. Le secteur de l’emballage alimentaire, qui nécessite une forte imperméabilité aux gaz et aux odeurs a fait exploser la demande en emballages multicouches. Cette forte progression de la demande a entraîné le développement d’équipement de coextrusion. Les lignes de production contemporaines possèdent présentement la capacité de produire des films pouvant atteindre 11 couches. Ce nombre impressionnant est nécessaire pour les matériaux barrières de haute performance. En effet, les résines utilisées (polyamides, éthylène vinyle alcool) doivent être protégées de l’humidité par une couche protectrice et il est souvent nécessaire d’utiliser des couches adhésives entre les différents polymères composant le film afin d’assurer l’intégrité physique du film. La coextrusion permet donc aux manufacturiers de films de produire des emballages flexibles répondant aux demandes spécifiques de leurs clients. Le procédé est très similaire au soufflage de gaine conventionnel. La principale différence entre le procédé de soufflage de gaine monocouche et le soufflage de gaine multicouche réside dans l’ajout d’extrudeuses additionnelles afin d’alimenter une filière multicouche. Parmi les matériaux les plus fréquemment utilisés pour la fabrication de films multicouches on retrouve les polyoléfines. Le LDPE est utilisé, en combinaison avec un grand nombre d’autres matériaux, afin de fabriquer des pellicules protectrices pour la nourriture, des films barrières contre la vapeur dans le secteur de l’habitation, et des films protecteurs en agriculture. Ce matériau est aisément mis en forme, il est flexible, il possède une bonne capacité de soudure à chaud, il montre une bonne résistance à l’impact et il reste peu coûteux. Le LDPE peut être combiné avec le LLDPE, le HDPE ou encore le mPE afin d’obtenir un film possédant de bonnes capacités de sellage à chaud ou encore de meilleures propriétés mécaniques. Par contre, les polyoléfines présentent une forte perméabilité aux gaz ce qui est un désavantage majeur. Afin de contrecarrer ce problème on associe couramment les polyoléfines à des matériaux offrant d’excellentes propriétés barrières aux gaz comme le PET, le PVDC (polyvinylidène chloré) et les polyamides. Le polyéthylène téréphtalate qui est un matériau assez coûteux permet d’obtenir une bonne perméabilité à l’oxygène et au dioxyde de carbone. Les films de PET forment une barrière efficace contre les odeurs et ils sont résistants aux graisses et aux huiles tout en étant transparents. Il est d’ailleurs possible d’augmenter sensiblement les propriétés en orientant bi-axialement le film. Le principal désavantage de ce matériau est qu’il possède une très faible viscosité à l’état fondu ce qui rend le démarrage de la ligne particulièrement pénible. Le PVDC, utilisé sous forme d’emballage depuis 1946, est commercialisé sous le nom de Saran par Dow Chemical. Ce matériau très flexible et transparent possède des propriétés barrières exceptionnelles vis-à-vis des gaz et de l’humidité. Par contre, il est trois fois plus coûteux que les autres films transparents, mais sa très forte résistance permet une utilisation à de faibles épaisseurs ce qui a pour effet de contrebalancer son prix élevé. Ce matériau possède une forte tendance à adhérer sur lui-même ce qui cause des problèmes lors de la production mais est souhaitable pour son application finale comme emballage. Il permet de conserver la saveur et l’odeur des aliments de façon très efficace. Le PVDC possède une bonne résistance aux produits alcalins et aux acides, il est par contre vulnérable aux halogènes. Le nylon a été introduit sur le marché en 1938 par Du Pont de Nemours. Le polyamide 6 est le type le plus fréquemment utilisé pour la fabrication de films. Le nylon est généralement considéré comme étant trois fois plus résistant à l’abrasion que le polyéthylène. Il est résistant aux produits alcalins et aux acides dilués. Il possède une bonne perméabilité aux gaz mais, par contre, c’est un matériau très hydrophile. Malgré son coût relativement élevé le nylon est fréquemment utilisé, car sa résistance et sa tenue en température élevée lui confèrent un marché important dans la fabrication d’emballages stérilisables.

Les instabilités

   Les instabilités sont un phénomène survenant fréquemment dans les procédés de mise en forme des matériaux plastiques à l’aide d’une filière. Dans de nombreux cas ces instabilités peuvent être atténuées par l’utilisation de filières plus performantes, ou grâce à des conformateurs. Par contre, dans le cas du filage textile et de la production de film, les dimensions finales du produit désiré sont obtenues par un étirage (axial ou bi axial) dans l’air.Le polymère fondu comporte alors une surface libre pouvant se mouvoir facilement. Il est donc fortement sensible aux nombreuses perturbations pouvant générer des instabilités. Ces dernières représentent une des causes principales de la diminution de productivité et donc des profits. Il n’est donc pas surprenant que les instabilités aient été l’un des premiers sujets étudiés en soufflage de gaine. Han et Park (1975c) ont rapporté une instabilité de type ‘draw resonance’. Ce type d’instabilité correspond à une variation périodique du diamètre de la bulle lors de l’étirement unidirectionnel. Cette instabilité débute à un taux d’étirement critique et son amplitude et sa fréquence augmentent, conduisant ultimement à la rupture de la bulle. Ce type d’instabilité avait déjà été observé dans le filage textile. Les travaux de Minoshiwa et White (1986) ainsi que ceux de Ghaneh-Fard et al. (1996a) réalisés lors d’étirement bi axial ont permis de valider ces observations. Ces auteurs ont identifié qualitativement deux autres types d’instabilités : les instabilités métastables, qui sont caractérisées par une variation de la position de la ligne de figeage, et les instabilités hélicoïdales, caractérisées par une rotation de la bulle autour de l’axe de la filière. Alors que Minoshiwa et White (1986) attribuent l’instabilité hélicoïdale à un effet aérodynamique causé par l’air de refroidissement, Laffargue (2003) avance l’hypothèse que cette instabilité serait causée par un gonflement trop important de la bulle qui induirait une résonance transversale ayant pour effet de causer la perte d’axisymétrie de la bulle. Minoshiwa et White (1986) ainsi que Kanai et White (1984) ont établi des cartes illustrant les régions de stabilité et d’instabilité pour le HDPE, le LDPE et le LLDPE en fonction du taux d’étirage et de gonflement. Selon eux, une distribution de poids moléculaire étroite aurait pour effet de diminuer la zone de stabilité. Le LDPE présente une zone de stabilité plus étendue que les deux autres matériaux. Ceci vient confirmer une pratique courante dans l’industrie. En effet les films de HDPE et de LLDPE sont fréquemment produits en leur ajoutant, par mélange, une faible quantité de LDPE. L’effet stabilisant de ce type de mélange a été démontré formellement par Fleisnner (1988) qui attribue la stabilité accrue du LDPE à un effet d’écrouissage (strain hardening). Il apparaît que les résines possédant un comportement d’écrouissage prononcé présentent toujours une stabilité plus élevée. Finalement tous les travaux démontrent qu’un taux de refroidissement élevé a pour effet d’augmenter la zone de stabilité. Malheureusement la caractérisation de ces instabilités et leur classification étaient jusqu’à présent uniquement qualitatives. Une nouvelle méthode permettant de quantifier le degré d’instabilité pendant la formation de la bulle a été développée par Sweeney et al (1992). La bulle est filmée à l’aide d’une caméra vidéo. L’image captée est alors analysée grâce à un système de traitement de données afin d’obtenir des informations sur la variation du diamètre en fonction du temps et de la position axiale. Plus récemment, Ghaneh-Fard et al. (1996a) ont utilisé la même technique afin d’établir un critère permettant de caractériser les instabilités hélicoïdale. Ce critère permet d’obtenir des cartes de stabilité basées sur un paramètre quantifiable plutôt que sur une observation subjective de l’expérimentateur. Ce système a été amélioré par Laffargue et al (2002). Ces derniers utilisent un système de miroirs afin de capter de façon simultanée deux points de vue différents de la bulle. Ceci permet donc de discerner clairement les instabilités hélicoïdales des instabilités de type ‘draw résonance’. Les auteurs peuvent donc quantifier clairement et rigoureusement ces instabilités.

Films Monocouches

   Il nous est maintenant possible d’étudier l’effet, du coefficient de convection, de la prise en compte de la convection à l’intérieur de la bulle et de l’énergie d’activation sur le profil de température et le profil géométrique de bulles monomatières. Les figures qui suivent ont été obtenues, sauf contre indications en utilisant les valeurs présentées au tableau 3.2. La figure 3.18a nous permet de constater que le taux de refroidissement influence fortement le profil thermique et la forme de la bulle. Les taux de refroidissement utilisés afin d’obtenir cette figure sont ceux présenté à la figure 3.3. La hauteur de la ligne de figeage passe en effet de 0.15 à 0.3 m lorsque l’on passe du refroidissement de Petrie à celui de Zippenfeld. Ceci confirme la forte interdépendance entre le refroidissement et la géométrie de la bulle. Il s’avère donc nécessaire de mieux comprendre les phénomènes liés à l’évolution du coefficient de convection en fonction de la géométrie et du débit d’air de refroidissement afin de pouvoir simuler de façon adéquate le procédé de soufflage de gaine. Ceci illustre une fois de plus la nécessité de développer des outils permettant une meilleure description de l’aérodynamique. Il faut aussi soulever l’importance du refroidissement sur la productivité. Un refroidissement doux donne naissance à une bulle possédant une forme très évasée. Par contre un refroidissement violent va donner naissance à une bulle gonflant très rapidement. La bulle pourrait alors entrer en contact avec l’anneau de refroidissement ce qui pourrait affecter sa stabilité. Il apparaît évident à la figure 3.18b que l’augmentation de la position de figeage causée par une diminution du taux de refroidissement cause une très forte diminution des contraintes dans le film. En effet lorsque le la position de figeage passe de 0.15 m à 0.3 m la contrainte axiale adimensionnelle passe de 80 à 40. Un comportement similaire, bien que de moindre amplitude peut être observé pour les contraintes transversales. Cette diminution peut être expliquée par le fait qu’une diminution du taux de refroidissement entraîne une évolution plus lente de la viscosité du polymère. Le film est donc plus facile à déformer lorsque le taux de refroidissement est faible ce qui entraîne une force plus faible aux rouleaux pinceurs et donc des profils de contraintes plus faible. Il faut mentionner que la forte diminution des contraintes transversales en fin de gonflement est causée par le fait que le terme de vitesse radiale fonction de la position axiale tend vers 0 à la position de figeage. Or il est possible de constater aux relations 3.61 et 3.65 que la contrainte axiale dépend entre autre de la pression hydrostatique et de la vitesse radiale. Ce type de comportement n’est pas habituellement présenté dans les publications portant sur le soufflage de gaine car les courbes sont troncquées en raison de l’existence de multiplicités de solutions que nous avons précédemment mentionnés.

Table des matières

CHAPITRE 1 Introduction
1.1 Méthodes de fabrication de film
1.1.1 Cast Film
1.1.2 Soufflage de gaine
1.1.2.1 Historique
1.1.2.2 Description du procédé
1.1.2.3 Avantage de cette technique
1.2 Films multicouches
1.3 Objectif
CHAPITRE 2 Étude Expérimentale
2.1 Revue de la littérature
2.1.1 Films monocouches
2.1.1.1 Effet des conditions opératoires
2.1.1.2 Les instabilités
2.1.1.3 La structure
2.1.2 Films multicouches
2.2 Matériaux
2.3 Équipement
2.3.1 Filière multicouche de petite taille
2.3.1.1 Mesure de la température de la bulle
2.3.1.2 Mesure des dimensions la bulle
2.3.1.3 Plan expérimental
2.3.2 Filière multicouche semi industrielle
2.3.2.1 Mesure de la biréfringence
2.3.2.2 Plan expérimental
2.4 Résultats
2.4.1 Films réalisés grâce à la petite filière
2.4.1.1 Films monocouches
2.4.1.2 Films multicouches
2.4.2 Films réalisés grâce à la filière semi industrielle
2.4.2.1 Films monocouches
2.4.2.2 Films multicouches
2.5 Analyse enthalpique différentielle
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 Modélisation
3.1 Revue de la littérature. Modèles monocouches
3.1.1 Modèles newtoniens
3.1.2 Modèles viscoélastiques
3.1.3 Modèle aérodynamique
3.1.4 Modèles viscoélastiques bi phasiques
3.2 Revue de la littérature. Modèles multicouches
3.3 Développement mécanique multicouches
3.3.1 Hypothèses
3.3.2 Les équations dans le volume
3.3.3 Conditions Frontières
3.3.3.1 Vitesse
3.3.3.2 Contraintes
3.3.4 Adimensionnalisation
3.3.4.1 Équations
3.3.4.2 Conditions Frontières
3.3.5 Résolution des équations mécaniques
3.3.6 Validation
3.3.7 Récapitulatif
3.4 Développement thermique
3.4.1 Hypothèses
3.4.2 Conditions Frontières
3.4.3 Adimensionnalisation
3.4.4 Analyse des équations
3.4.5 Résultats
3.4.6 Récapitulatif
3.5 Calcul thermique multicouches bidimensionnel
3.5.1 Résolution par la méthode d’approximation sur la température
3.5.2 Résolution par la méthode des différences finies
3.5.3 Prise en compte de la cristallisation
3.6 Généralisation aux cas complexes
3.7 Étude de sensibilité
3.7.1 Films Monocouches
3.7.2 Films multicouches multimatières
3.8 Conclusion
CHAPITRE 4- Validation
4.1 Films réalisés grâce à la petite filière
4.1.1 Films monocouches
4.1.2 Films multicouches
4.2 Films réalisés grâce à la filière semi industrielle
4.2.1 Films monocouches
4.2.2 Films multicouches
4.3 Conclusion
CHAPITRE 5 Conclusion
RÉFÉRENCES
ANNEXES

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