Rhéologie aux interfaces des matériaux polymères multicouches et ...

Khalid Lamnawar
INSA de Lyon
Introduction générale
Les matériaux multicouches sont extrêmement importants pour des applications dans des
domaines aussi variés que stratégiques tels l’optique, les supports photosensibles, le
biomédical, l’agroalimentaire ou encore le stockage de produits agressifs, liquides ou gazeux.
C’est dans cette optique que les pièces multicouches sont de plus en plus demandées. Un
matériau monocouche ne suffit pas pour apporter l’ensemble des fonctionnalités souhaitées.
La voie des mélanges, qui a été une des voies les plus étudiées avec un grand engouement de
la part de la communauté des scientifiques, tant au point de vue académique qu’industriel
pour certaines applications, ne permet pas de réaliser des matériaux barrières présentant des
performances mécaniques satisfaisantes.
Il existe un très grand intérêt pour remplacer les matériaux à base de mélanges par des
multicouches mis en œuvre par des procédés comme la coextrusion.
Il s’agit d’un procédé qui consiste à extruder dans une même filière plusieurs fluides
simultanément (ou dans plusieurs films dans une filière multicanaux/multimanifold), chacun
provenant d’extrudeuses différentes. On réalise un écoulement multimatière et le produit
obtenu est dit multicouche. L’intérêt d’un tel procédé est qu’il permet de conférer au produit
des propriétés spécifiques de chacune des couches qui le composent (propriétés barrières,
mécaniques, aspect esthétique).
Il existe sur le marché des configurations simples qui associent deux produits en deux ou
trois couches voire parfois des structures pouvant aller à une dizaine de couches. De tels
assemblages font partie de notre vie courante (packs de lait, opercule yaourts et barquettes).
Cependant cette association n’est généralement pas facile à réaliser, les paires polymères que
l’on désire réunir étant le plus souvent incompatibles. On utilise alors un compatibilisant
dont le rôle est de se placer à l’interface entre les deux phases. Il est couramment nommé
chez la communauté des coextrudeurs un « adhésif ».
Outre les problèmes dus à une mauvaise adhésion entre les polymères utilisés et parfois la
difficulté au niveau du choix de compatibilisant, la différence importante de propriétés
rhéologiques entre les couches peut engendrer notamment deux types de défauts lors de la
mise en œuvre :
‐le premier, appelé enrobage, est dû à une répartition inégale des produits dans le sens de la
largeur et dans le plan perpendiculaire à l’écoulement où on assiste au contournement d’un
produit par un autre (le moins visqueux enrobe le plus visqueux).
‐le second se manifeste par une irrégularité de l’interface polymère ‐ polymère, qui présente
un aspect allant de l’oscillant au chaotique. Ce défaut est nommé instabilité interfaciale.
Aujourd’hui, les industriels ne disposent pas d’outils fiables permettant de prévoir
l’apparition de tels défauts. Quelques règles sont utilisées comme, par exemple, augmenter
la température d’extrusion pour diminuer les contraintes aux interfaces ou réaliser un profil
de vitesse convexe. Mais dans le cas général le transformateur a souvent recours à une
stratégie d’«essais‐erreurs» pour concevoir le produit avec une approche reposant plus sur
son savoir faire empirique. On ne sait pas toujours comment les propriétés sont reliées à la
formulation du système, ou comment en optimiser la composition pour améliorer les
propriétés finales et réduire les coûts voire comment le compatibilisant/adhésif influence la
stabilité de l’écoulement tout en s’appuyant sur les mécanismes physico‐chimiques qui
peuvent se manifester de l’échelle macroscopique à l’échelle moléculaire.
Introduction générale
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