Equipe Ecoulements Visco-Elastiques - Cemef - MINES ParisTech

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Equipe Ecoulements Visco‐ElastiquesFigure 5. Opération d’arrêt-démontage pour prélèvement d’échantillons lors de la réalisation denanocomposites et exemple de quantification correspondante du niveau d’exfoliation (traduit ici en terme deseuil d’écoulement) (Lertwimolnun et Vergnes, Polym. Eng. Sci., 47, 2100, 2007)F. Berzin, B. Vergnes, P.G. Lafleur, M. Grmela, A theoretical approach of solid filler dispersion in a twin screwextruder, Polym. Eng. Sci., 42, 473-481 (2002)T. Lozano, P.G. Lafleur, M. Grmela, B. Vergnes, Modeling filler dispersion along a twin screw extruder, Intern.Polym. Proc, 18, 12-19 (2003)W. Lertwimolnun, B. Vergnes, Influence of compatibilizer and processing conditions on the dispersion ofnanoclay in a polypropylene matrix, Polymer, 46, 3462-3471 (2005)W. Lertwimolnun, B. Vergnes, Effect of processing conditions on the formation of polypropylene/organoclaynanocomposites in a twin screw extruder, Polym. Eng. Sci., 46, 314-323 (2006)W. Lertwimolnun, B. Vergnes, Influence of screw profile and extrusion conditions on the microstructure ofpolypropylene/organoclay nanocomposites, Polym. Eng. Sci., 47, 2100-2109 (2007)W. Lertwimolnun - Réalisation de nanocomposites polypropylène/argile par extrusion bivis - Thèse de Doctorat,2006.Retour début extrusion1.3 Les écoulements en filièreLe premier rôle d’une filière d’extrusion est de répartir le polymère fondu provenant de l’extrudeuseau sein de l’outillage, pour obtenir à la sortie de celui-ci un écoulement parfaitement homogène envitesse, température, dimensions… Pour effectuer la conception d’un outillage ou l’optimiser, lamodélisation est un outil de choix. Après les premiers modèles, d’abord en 1D, puis en 2D et 2,5D(écoulements de type Hele-Shaw), on en est arrivé lorsque cela est nécessaire à la simulation 3D, laseule réellement licite dans le cas complexe des filières de profilés (Fig. 6).CEMEF – Mines ParisTech http://www.cemef.ensmp.fr/ ©
Equipe Ecoulements Visco‐ElastiquesFigure 6. Calcul 3D de l’écoulement dans une filière de profilés. Valeurs des vitesses en sortie, montrant ledéséquilibre de la filièreUn moyen d’augmenter les propriétés mécaniques des tubes de transport d’eau ou de gaz est d’ajouterdes fibres de renfort. Afin de résister à une forte pression de fluide transporté, il est souhaitable que lesfibres soient orientées de façon significative selon la circonférence. Or la partie finale d’une filière detube est le siège de cisaillement, qui oriente les fibres dans le sens de l’écoulement, donc dans l’axe dutube.Nous avons travaillé avec différentes filières, et nous avons quantifié par analyse d'images l'orientationdans des tubes extrudés. Avec une filière de tube classique, les fibres sont préférentiellement orientéesparallèlement à l'axe du tube. Nous avons modifié cette filière en introduisant une partie finaledivergente. L'élongation ainsi créée entraîne une orientation selon la circonférence des fibres au coeurdu tube, conformément à la littérature. La résistance à l'éclatement est sensiblement augmentée,puisque la pression à rupture passe de 2,8 MPa à 3,8 MPa (tube de 2,1 mm d'épaisseur et de 40 mm dediamètre en polypropylène renforcé à 30 % en poids). Cependant, en surface, le cisaillement laissesubsister une orientation parallèle à l'axe du tube. Pour annihiler son effet, nous avons effectué unedeuxième modification consistant à injecter en paroi un lubrifiant. On s'approche alors d'unécoulement bouchon, il ne reste que l'effet de l'élongation, et les fibres sont essentiellement orientéesselon la circonférence. La pression à rupture passe alors à 5,5 MPa. Cette technique élégante, car nenécessitant qu'une modification simple de l'outillage, a fait l'objet d'une prise de brevet par l'InstitutFrançais du Pétrole avec lequel ce travail a été mené. La compréhension des phénomènes etl’optimisation ont été appuyées par une simulation numérique par éléments finis couplant écoulementet orientation.B. Vergnes, Etude de l'écoulement d'un polymère fondu dans une filière de câblerie téléphonique, Matériaux etTechniques, 6-7, 187 (1981)B. Vergnes, P. Saillard, J.F. Agassant, Non-isothermal flow of a molten polymer in a coat-hanger die, Polym.Eng. Sci., 24, 980 (1984)B. Vergnes, J.F. Agassant, Die flow computations: a method to solve industrial problems in polymer processing,Adv. Polym. Techn., 6, 441 (1986)B. Arpin, P. G. Lafleur, B. Vergnes, Simulation of polymer flow through acoat-hanger die: a comparisonbetween two numerical approaches, Polym. Eng. Sci., 32, 206 (1992)CEMEF – Mines ParisTech http://www.cemef.ensmp.fr/ ©
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