solidification mise en forme des polymeres - mms2

Cours Matériaux 2005
SOLIDIFICATION
MISE EN FORME DES POLYMERES
Jean-Marc HAUDIN
CEMEF
PLAN
1. Introduction
2. Caractéristiques de la mise en œuvre
des polymères thermoplastiques
3. Grands procédés de mise en œuvre
4. Conclusion / Evaluation
1. INTRODUCTION
Mise en Œuvre / Mise en Forme (Polymer Processing)
- poudres : revêtements
- solutions ou émulsions : peintures, colles et adhésifs, Kevlar
- état caoutchoutique : bouteilles en PET, pots de yaourts
- état fondu ou plastifié : thermoplastiques
- état solide : usinage de pièces mécaniques ou de prothèses,
étirage de fibres, de bandelettes ou de films
2. Caractéristiques de la mise en
œuvre des polymères
thermoplastiques
Schéma général de la mise en œuvre des thermoplastiques
Caractéristiques de la mise en œuvre des
polymères thermoplastiques
ORIGINE :
- composition chimique: C, H, O, N,…
- structure moléculaire:
• longues chaînes linéaires ou ramifiées
• conformations du fondu en pelotes statistiques +
enchevêtrements
• régularité de la chaîne → cristallisation
CONSEQUENCES : - forte viscosité, très thermodépendante
- comportement pseudoplastique et viscoélastique
- faible conductivité thermique
- morphologies originales
NOTION DE VISCOSITE
&,6$,//(0(171HZWRQ
(/21*$7,217URXWRQ
Contrainte : τ = ) / 6
Contrainte :
Taux de cisaillement: γ = 8 / K
Taux d ’élongation : α = (1/
Viscosité: η = τ / γ en Pa.s
Viscosité : η = σ / α = 3η
σ = ) /6
(
O GO
)
/ GW
TRES FORTE VISCOSITE
η = .0 3,4
si M>Mc
η ≈ 103 3D.V
à faible γ
106 fois la viscosité de l ’eau
108 fois la viscosité de l ’air
TRES FORTE VISCOSITE
• Conséquences:
• - inertie négligeable, pas d ’écoulement
turbulent
• - forces de masse en général négligeables
• - puissance dissipée considérable, G¶R
auto-échauffement
• - équipements « puissants »
Comportement pseudoplastique
(Rhéofludifiant)
Evolution de la contrainte de cisaillement en fonction de la vitesse
de déformation (taux de cisaillement) pour un polymère fondu
Bénéfique pour la transformation
COMPORTEMENT
PSEUDOPLASTIQUE
Courbes typiques de viscosité d’un polymère fondu en
cisaillement et en élongation
LOI PUISSANCE (OSTWALD) η = . γ
P
−1
Comportement Viscoélastique
- Comportement non-troutonien : la viscosité
élongationnelle augmente avec le taux d ’élongation
- Existence d ’une force normale, tendant à écarter un
plateau tournant au-dessus d ’un plateau fixe
- Phénomènes transitoires: retard à l ’établissement
ou à la relaxation de la contrainte
Comportement Viscoélastique
Contrainte engendrée par un créneau de vitesse de déformation
Conséquences de la Viscoélasticité
- NEGATIVES
• gonflement en sortie de filière
dimensions des produits
• défauts d ’extrusion à haut débit
- POSITIVES
• augmentation de la viscosité élongationnelle avec le taux
d ’élongation
stabilisation des étirages
Comportement Viscoélastique
LE ROLE DES ENCHEVETREMENTS
• Temps caractéristique de la déformation < temps
caractéristique du polymère
enchevêtrements = nœuds d ’un réseau
Ì &203257(0(17(/$67,48(
• Temps caractéristique de la déformation > temps
caractéristique du polymère
les enchevêtrements peuvent se déplacer
Ì &203257(0(179,648(8;
FAIBLE CONDUCTIVITE
THERMIQUE
- Conductivité thermique : 1000 fois plus faible que celle du cuivre
et 100 fois plus faible que celle de l ’acier
- Conséquences :
• chauffage et refroidissement : 1000s pour 1 cm de polymère
10s pour 1 cm d ’acier
• température d ’interface : polymère 200°C - moule 20°C : 40°C
polymère 200°C - eau 20°C : 80°C
polymère 200°C - air 20°C : 199°C
• puissance dissipée >> chaleur apportée par conduction
THERMODEPENDANCE DE
LA VISCOSITE
1 1 
η = η exp  − 
5
7 7 
(
R
R
E énergie d ’activation
Fort couplage Mécanique - Thermique
Morphologies dans les procédés
- Le point de départ : le sphérolite
exemple : cœur des pièces injectées
- Influence des conditions de Mise en Forme
• écoulement
• thermique
• surfaces
Morphologies dans les procédés
Morphologies dans les procédés
Structure cœur-peau d ’une pièce injectée
Morphologies dans les procédés
Morphologies en gerbes
Morphologies dans les procédés
Morphologie en comètes dans un granulé
Morphologies dans les procédés
Zones transcristallines autour d ’une fibre
3. GRANDS PROCEDES DE
MISE EN OEUVRE
- EXTRUSION
- SOUFFLAGE DE GAINE
- INJECTION
- SOUFFLAGE DE CORPS CREUX
L ’EXTRUSION
- L’EXTRUDEUSE MONOVIS
- LES FILIERES :
• joncs
• plaques, feuilles, films
• tubes
• gainages de câbles
• profilés
- LES CONFORMATEURS
- LES DISPOSITIFS DE REFROIDISSEMENT
L ’EXTRUSION
L’EXTRUDEUSE MONOVIS
L ’EXTRUSION
FILIERE DE TUBE ET CONFORMATEUR
L ’EXTRUSION
LIGNE D ’EXTRUSION DE TUBE
L ’EXTRUSION
L ’EXTRUSION DE FILM A PLAT
LE SOUFFLAGE DE GAINE
L ’INJECTION
SOUFFLAGE DE CORPS
CREUX
EXTRUSION-SOUFFLAGE
INJECTION-SOUFFLAGE
(BIETIRAGE-SOUFFLAGE)
L ’INJECTION-SOUFFLAGE
&D Q Q H
•(WLUDJHVDQVVRXIIODJH5HWDUGDX
G ¶p OR Q J D WL R Q
SUpVRXIIODJH
•3UpVRXIIODJH HQWUHHWEDUV
•9LWHVVHGHFDQQHPV
,QV X I IO D WL R Q
9ROXPHGHODERXWHLOOH
G ¶D LUF R P S UL P p
V
•6RXIIODJHEDUVV
•3ODTXHUFRQWUHOHPRXOHIURLG,PSULPHU
OHVGpWDLOV© VWDELOLVHU ªODIRUPH
4. CONCLUSION / EVALUATION
PEHD : 45% corps creux, 21% pièces injectées, 18% films
13% tubes ou gainages
PEBD : 79% films
PP :
68% pièces injectées
19% bandelettes, films, fibres
PS :
63% extrusion (emballage)
37% injection
PVC : 64% rigide
36% plastifié