Modélisation et simulation du rotomoulage réactif du polyuréthane

Le rotomoulage est une technique de mise en œuvre des polymères permettant la fabrication des pièces creuses de petite à grande dimension sans collage ni lignes de soudures. Les avantages de ce procédé sont les coûts remarquablement faibles rendus possibles par le moulage des polymères sans pression et le potentiel élevé de moulage des pièces à géométrie complexe.

Toutefois, cette technique présente certains inconvénients comme un temps de cycle long et un nombre restreint de polymères pourront être transformés par rotomoulage. Actuellement plus de 85% des polymères employés pour le rotomoulage sont des polyéthylènes. Cette difficulté est liée à la viscosité très élevée et à la faible thermostabilité de la plupart de polymères thermoplastiques. Devant un tel problème, le rotomoulage réactif représente une alternative au rotomoulage conventionnel où la synthèse du polymère se réalise au cours de la mise en œuvre de la pièce, permettant ainsi de réduire d’une manière considérable le temps de cycle du procédé et d’élargir le spectre des matériaux mis en œuvre par ce procédé comme les thermodurcissables et les élastomères. Toutefois, les entreprises de rotomoulage, utilise un savoir-faire empirique ce qui compromet l’utilisation de nouveaux matériaux, en particulier les élastomères et les thermodurcissables. Or de nouvelles applications industrielles, ayant des exigences de productivité, de rendement et de qualité se profilent. Pour répondre à cette exigence, on doit pouvoir maitriser ce procédé en vue d’optimiser la fabrication des pièces afin de produire des pièces plastiques de haute qualité avec un moindre coût. La simulation numérique constitue la solution idéale pour prédire le comportement du matériau durant sa mise en œuvre d’une part et d’autre part de prédire le comportement du mélange réactionnel à l’aide des modèles mathématiques. Ces équations correspondent à une traduction mathématique de lois de comportement validée généralement expérimentalement. Toutefois, pour un système évolutif, les problèmes sont, en général, beaucoup plus complexes de par, en particulier, le caractère multiphasique des écoulements, les réactions chimiques et le comportement rhéologique des fluides. Ceci nécessite une étude approfondie afin de modéliser tous les aspects du procédé dans le but de maitriser et ainsi optimiser le procédé.

En somme, l’optimisation du procédé du rotomoulage réactif implique l’étude de trois aspects majeurs :
✦ La cinétique de la réticulation du polyuréthane en mode dynamique,
✦ La modélisation de la viscosité en fonction du temps d’avancement de la réaction et en fonction du taux de cisaillement,
✦ La simulation de l’écoulement du mélange réactionnel en tenant compte des transferts thermiques et des deux aspects cités supra et l’intégration dans les simulations de tous les paramètres intrinsèques du matériau comme la viscoélasticité et les phénomènes d’interface.

Ce travail de thèse intitulé « modélisation et simulation du rotomoulage réactif du polyuréthane » est une collaboration entre deux laboratoire de ENSAM centre de Paris : Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux (PIMM) et le Dynfluid. Il a pour finalité la conception d’un outil de simulation robuste permettant de prédire le comportement du mélange réactionnel et d’optimiser le procédé du rotomoulage. Il devrait aussi offrir une contribution scientifique supplémentaire et originale aux divers travaux déjà effectués dans le domaine de modélisation du procédé du rotomoulage.

Rotomoulage : description du procédé

Le rotomoulage est une technique de mise en œuvre des polymères permettant la réalisation des pièces creuses avec des dimensions et des géométries très variées [1-3], ou encore des pièces en multicouches et des matériaux moussés [4-7] ainsi que des matériaux composites [8-11]. Les avantages de cette technique sont nombreux et en particulier :
► L’absence de contraintes résiduelles et l’absence de lignes de soudure, ce qui favorise la fabrication des pièces techniques,
► L’emploi de moules peu couteux ; car en absence des pressions il n’est pas nécessaire de les fabriquer à partir de matériaux de haute performance,
► Très faible perte de la matière,
► Obtention des pièces homogènes.

Les applications industrielles du rotomoulage sont variées et les pièces rotomoulées trouvent leurs applications dans la plupart des secteurs industriels [12]. Il existe deux variantes de ce procédé; le rotomoulage de poudres thermoplastiques et le rotomoulage des élastomères et thermodurcissables, qui se réalise par voie réactive.

Rotomoulage conventionnel

Ce type de rotomoulage concerne uniquement les poudres thermoplastiques et il se déroule en quatre étapes.

– Chargement : le matériau polymérique à l’état microionisé est chargé dans un moule. L’épaisseur de la pièce souhaitée peut être déduite de la masse de poudre du polymère à charger selon la relation suivante:

m = ρ . S . e (I.1)

Où S, e, ρ : représentent la surface de la paroi interne du moule, l’épaisseur de la pièce à fabriquer et la masse volumique de la poudre, respectivement.

– Chauffage: le moule est ensuite mis en rotation selon deux axes orthogonaux à des vitesses n’excédant pas les 10 tr/min, puis il est introduit dans un four pour cuisson. Le chauffage permet la fusion des thermoplastiques et la rotation biaxiale assure une répartition homogène sur la surface interne du moule.

– Refroidissement: cette étape, combinée avec la rotation, permet la solidification de la matière et la formation de la pièce.

– Démoulage: Après solidification de la matière, on procède au démoulage en arrêtant la rotation. Le moule est ouvert pour retirer la pièce rotomoulée. Lors du rotomoulage conventionnel, le matériau ne subit que des changements physiques sans aucune réaction chimique. En effet, il passe du solide au liquide par chauffage, et du liquide au solide par refroidissement. Les phénomènes physiques majeurs qui régissent le comportement de matériau durant sa mise en œuvre sont la coalescence, la densification et la solidification (cristallisation dans le cas des polymères semi-cristallins).

Si tous les polymères thermoplastiques peuvent être transformés à l’état fondu, ils ne sont pas forcément rotomoulables. Pour qu’un thermoplastique soit rotomoulable, il doit:
✦ être facile à mettre en poudre avec une granulométrie optimum de 50 à 500µm,
✦ avoir une bonne stabilité thermique pour éviter toute dégradation,
✦ être une viscosité bien adaptée.

Actuellement plus de 85% des polymères employés pour le rotomoulage sont des polyéthylènes. On trouve aussi le polypropylène (PP) et les polyamides (PA11 et PA12). Des travaux de recherche ont été menés pour élargir le spectre des matériaux thermoplastiques rotomoulables, et ce en ajoutant des nanocharges, ou des fibres courtes [13-15]. Toutefois, le nombre restreint des thermoplastiques rotomoulés est toujours considéré comme un inconvénient principal sans oublier le temps de cycle long considéré aussi un désavantage du rotomoulage conventionnel. Pour élargir la gamme des produits à mettre en œuvre par ce procédé et réduire le temps de cycle. Le rotomoulage par voie réactive peut alors présenter la solution idéale pour remédier aux inconvénients du rotomoulage des poudres.

Rotomoulage réactif

Vu les inconvénients que le rotomoulage conventionnel présente, le rotomoulage réactif, constituée une meilleure alternative au rotomoulage des poudres. Dans le cas de ce procédé, le temps de cycle est réduit d’une manière considérable et le spectre des matériaux est élargi. Dans ce type de procédé, la matière première se présente sous forme de précurseurs réactifs au lieu de poudre, généralement sous forme liquide, qui se polymérisent au même moment que la mise en œuvre de la pièce. En matière d’équipement, le rotomoulage réactif utilise le même appareillage que le rotomoulage des poudres. On introduit les réactifs dans le moule. Celui-ci est mis en rotation biaxiale et porté à la température de la réaction de polymérisation (selon le système réactif utilisé). La réaction chimique entraîne une élévation de la masse molaire accompagnée d’une augmentation substantielle de la viscosité. Lorsque la viscosité du système réactif atteint une certaine valeur, le polymère commence à adhérer à la surface interne du moule et il épouse ainsi sa forme.

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE I:Etude bibliographique
I.1.Rotomoulage : description du procédé
I.1.1.Rotomoulage conventionnel
I.1.2.Rotomoulage réactif
I.2.Mise en œuvre d’un modèle du rotomoulage réactif
I.3.Modélisation des procédés de plasturgie
I.3.1.Modèle physique
I.3.2.Travaux antérieurs
I.4.Etude et modélisation du système réactif Polyols Isocyanates
I.4.1.Polyuréthanes
I.4.1.1.Isocyanates
I.4.1.2.Polyols
I.4.1.3.Allongeurs de chaînes
I.4.1.4.Catalyseurs
I.4.2.Modèles cinétiques dédiés aux polyuréthanes thermodurcissables
I.4.3.Méthodes expérimentales du suivi cinétique
I.5.Phénomènes physico-chimiques des polymères
I.5.1.Gélification
I.5.2.Vitrification
I.5.2.Diagramme Temps-Température-Transformation isotherme (TTT)
I.5.3.Diagramme Temps-Température-Transformation anisotherme (CHT)
I.5.4.Modélisation rhéocinétique
I.5.4.1.Modèles mécanistiques
I.5.4.2.Modèles empiriques
CHAPITRE II:Matériaux et méthodes
II.1.Matériaux
II.2.Méthodes d’analyse
II.2.1.Analyse enthalpique différentielle
II.2.2.Analyses rhéologiques
II.2.3.Rotomoulage
CHAPITRE III:Résultats expérimentaux et discussion
III.1.Suivi cinétique de la réticulation par DSC
III.2.Analyses rhéologiques
III.2.1.Modèle rhéocinétique adopté
III.2.1.Effet du taux de cisaillement sur la viscosité
III.3.Profil thermique
III.4.Synthèse de l’étude expérimentale
CHAPITRE IV:Simulation numérique du procédé du rotomoulage réactif
IV.2.Principe de la méthode SPH
IV.2.1.Choix du noyau
IV.2.2.Approximation discrète du schéma d’interpolation
IV.3.Discrétisation du système d’équations par SPH
IV.3.1.Equation de conservation de masse
IV.3.2.Equation de conservation de quantité de mouvement
IV.3.3.Equation de conservation d’énergie
IV.3.3.Equation d’état
IV.4.Recherche des particules voisines
IV.5.Conditions aux limites
IV.6.Déplacement des particules
IV.7.Avance en temps
IV.8.Modèle rhéocinétique
IV.9.Organistion du solveur SPH
IV.9.1.Construction du domaine d’étude
IV.9.2.Organigramme du code SPH
IV.9.3.Traitement des résultats
Conclusion générale

Lire le rapport complet