Rhéologie aux interfaces des matériaux polymères multicouches et ...

Rhéologie aux interfaces des matériaux polymères multicouches et rôle de
l’interphase dans les écoulements stratifiés en coextrusion.
Résumé
Les objets multicouches mis en œuvre par les procédés de co‐extrusion sont extrêmement importants
pour des applications dans des domaines aussi variés que stratégiques tels que l’optique, les supports
photosensibles, le biomédical et l’agroalimentaire. Pendant la transformation, le contraste important
des propriétés rhéologiques entre les couches peut engendrer des instabilités interfaciales. Durant ces
dernières années, des centaines de publications ont été dédiées à ces défauts. Cependant, pour les
multicouches à base de polymères incompatibles où une réaction de greffage ou de réticulation se
produit aux interfaces (assurant en pratique une affinité physico‐chimique entre les polymères pour
éviter le délaminage du produit final), peu de résultats ont été publiés. Nous avons engagé depuis
trois ans dans notre laboratoire une recherche relative au procédé de co‐extrusion qui consiste à
enrichir l’approche classique purement mécanique par des considérations rhéologiques relatives aux
propriétés de l’interphase. Dans ce travail, nous illustrons notre approche sur un système
Polyéthylène greffé glycidyle méthacrylate (PE‐GMA)/ Polyamide (PA6) comme système réactif (SR)
et PE/PA6 comme non réactif (SNR). Deux grades de polyamides ont été utilisés pour permettre de
varier les rapports de viscosités et d’élasticité par rapport aux polyéthylènes.
Dans un premier temps, le comportement rhéologique à l’état fondu des multicouches a été étudié par
spectrométrie mécanique dynamique et rhéologie capillaire. La compétition entre l’interdiffusion
polymère/polymère et la réaction interfaciale a été évaluée. L’outil rhéologique se révélait ainsi une
sonde très fine pour explorer les propriétés aux interfaces des matériaux multicouches. Les résultats
expérimentaux ont été confrontés aux modèles décrivant le comportement rhéologique des systèmes
multiphasiques. Les manifestations observées et les résultats trouvés ont été analysés en se basant sur
les mécanismes physico‐chimiques mis en jeu. En outre, la détermination expérimentale de la tension
interfaciale a permis d’estimer l’épaisseur de l’interphase via des modèles thermodynamiques. Cette
évaluation expérimentale a été confrontée à une étude théorique à partir d’un modèle que nous avons
récemment développé et qui prend en compte l’évolution de cette interphase en fonction du temps et
les différents paramètres viscoélastiques. L’épaisseur de cette même interphase est reliée à son tour
aux propriétés adhésives des systèmes multicouches.
Dans un second temps, l’influence de différents paramètres liés au procédé: (température, temps de
contact dans le bloc de répartition, cisaillement, temps de séjour, aire interfaciale, débits et épaisseurs
de chaque couche...) a été étudiée sur une machine semi industrielle de coextrusion des films .Des
cartes de stabilité ont été établies en relation avec le rapport de viscosité, d’élasticité et d’épaisseur des
différentes couches. L’étude expérimentale a été réalisée ainsi sur des écoulements à deux, trois ou
cinq couches pour des configurations symétriques ou asymétriques. Pour les systèmes réactifs, les
instabilités interfaciales sont atténuées, voire éliminées en fonction de l’interdiffusion et de la
cinétique de réaction aux interfaces qui sont fonction à leur tour du temps de séjour et de la
température dans le bloc de coextrusion et la filière. En revanche, les instabilités réapparaissent dans
le cas des systèmes non réactifs. Enfin la présente étude montre qu’outre les facteurs classiques
introduits dans l’évaluation des cartes de stabilité théoriques et expérimentales (rapport des viscosités
et d’élasticité des différentes couches, la cinématique de l’écoulement (cisaillement ‐ élongation) et
l’épaisseur de chaque couche), le taux de réaction ou de compatibilisation à l’interface
polymère/polymère a un rôle majeur qu’il faut prendre en considération.
Mots‐clés : Rhéologie – Instabilités interfaciales‐ Coextrusion‐ Interdiffusion‐ réaction interfaciale –
Multicouches – Interphase – Modélisation.