Extrusion

Fondamentalement, on distingue deux procédés d’extrusions moussage différant par la manière dont le gaz est introduit dans le polymère.

Ø Moussage physique :

Ce procédé est communément appelé « direct gassing ». Dans ce procédé, le gaz est injecté directement dans l’extrudeuse et dissout dans le polymère fondu [163]. On citera l'exemple du procédé MuCell®, qui utilise un fluide supercritique tel que le dioxyde de carbone ou l’azote, pour produire par extrusion, des matériaux alvéolaires microcellulaires de pratiquement tous les thermoplastiques (styréniques, oléfines, PVC, élastomères thermoplastiques etc.) [176].

Le gaz se dissout dans le thermoplastique sous l'action de la chaleur et de la pression. Des additifs sont éventuellement introduits, permettant soit d’agir sur la taille des cellules et la quantité de cellules ouvertes ou fermées, soit de conférer des propriétés particulières (ignifugation, capacité d’absorption des liquides, etc.) [177].

Plusieurs variantes d’extrudeuses sont développées pour ce procédé « direct gassing »: extrudeuses mono-vis très longues (longueur minimale égale à 30 fois le diamètre L/D=30), extrudeuses en tandem, extrudeuses bi-vis jusqu’à d’autres systèmes plus spécialisés. Tous ces systèmes doivent être capables non seulement de fondre et de mélanger le polymère et les additifs, mais également, de disperser l’agent d'expansion physique, refroidir le polymère contenant l’agent d'expansion et de maintenir une pression suffisante jusqu’à l’extrusion du mélange. Ce sont les étapes nécessaires pour la production d’une mousse de faible densité [163,177]. Outre les doseurs volumétriques ou massiques pour l'introduction des additifs, l’installation comprend une unité de préparation du fluide supercritique à partir de gaz industriel et un système d’injection dans le fourreau de l’extrudeuse (fig.1.30). Ce dernier a pour rôle d’augmenter la pression du gaz et de l’injecter de manière stable et continue dans l’extrudeuse. La forme est contrôlée par la conception de la filière [177].

Ø Moussage chimique :

Dans ce procédé, le gaz est généré, dans le polymère fondu, par la décomposition des agents d'expansion chimiques dispersés dans le matériau. Lors de la fusion des granulés, les CFA se décomposent en gaz (diffusant dans le polymère) et particules solides. Ces dernières servent de sites de nucléation lors du moussage. L’agent d'expansion utilisé doit être assez stable aux températures et aux pressions de transformation pour ne pas perturber le processus et libérer de grandes quantités de gaz au moment du moulage ou en sortie d’extrudeuse sous faible pression et température élevée [176,177]. La température de décomposition du CFA devrait être voisine de la plage de température de fusion du polymère utilisé, afin de s’assurer que le CFA ne se décompose pas prématurément et que la décomposition soit complète [163].

Les extrudeuses standards peuvent être utilisées pour ce procédé (longueur=24D). En revanche, la vis doit avoir une faculté de mélange suffisante afin que les agents de nucléation et les charges soient bien répartis dans la masse. La précision et la stabilité du contrôle de température sont nécessaires pour maintenir un taux d'expansion constant. Une variation élevée de température modifierait le taux de décomposition de l'agent d'expansion et engendrerait des variations de densité [177].

Si la température dans la section d’alimentation de l’extrudeuse, la première ou la seconde zone, est trop élevée, le CFA peut se décomposer avant même que le polymère ait complètement fondu. En conséquence, le gaz peut s’échapper par la trémie d’alimentation et ne pas se dissoudre dans le polymère. La température dans la zone de fusion/mélangeage du procédé doit être assez élevée pour s’assurer de la décomposition du CFA. Après décomposition complète du CFA et dissolution du gaz dans le polymère fondu, la température peut être ajustée à condition que la pression du mélange soit maintenue afin de garder le gaz en solution. Généralement, la température est réduite, pour augmenter la viscosité du mélange. Une viscosité plus élevée améliore généralement la qualité de la mousse et permet d'obtenir une réduction de densité plus élevée [163]. Le schéma du procédé est représenté par la figure 1.31.

Polymer + CFA Polymer + CFA

Figure 1.31 : Procédé d’extrusion des mousses chimiques [179]

Dans le meilleur des cas, l’expansion commence lorsque le mélange polymère/gaz arrive en sortie de filière. Quand le taux d’expansion souhaité est atteint, l’extrudat expansé est refroidi, prenant ainsi sa forme finale.

Dans le but d'obtenir une bonne structure de mousse, il est intéressant d'étudier à quel endroit de la filière l'expansion commence (dans la filière ou en sortie de filière). En effet, une expansion prématurée peut conduire à de grandes tailles de cellules et à une structure non uniforme. La pression dans la filière prise à l'endroit du début d'expansion est appelée pression critique. C'est la pression permettant le début de l'expansion des cellules. Elle dépend de plusieurs facteurs, dont la température du mélange, la concentration d'agent d'expansion, la solubilité du gaz dans le mélange, la taille des cellules initiales [158].

En effet, une augmentation de la température conduit à une augmentation de la densité de la mousse. Ceci s’explique par le fait que la viscosité du polymère diminue avec l’augmentation de la température et que le polymère ne peut plus résister à la déformation bi-axiale développée lors de la croissance des cellules. On note encore d’autres variables du procédé qui peuvent influencer la densité de la mousse, telles que le temps de séjour, la vitesse de rotation de la vis, la géométrie de la filière ainsi que la quantité d’agent d'expansion utilisé [180].

En conclusion, on retiendra que la formation d’un polymère alvéolaire est un mécanisme complexe, influencé non seulement par le choix des agents mis en jeu mais également par le choix des paramètres du procédé.

Le moussage résulte de l'expansion de l'agent d'expansion au sein de la matrice thermoplastique fondue. Il entraine une importante déformation biaxiale de cette dernière qui, rapidement, formera de fines parois délimitant les cellules contenant le gaz. Si la

résistance à l'élongation du polymère, directement dépendante de la viscosité élongationnelle, n'est pas suffisante, le polymère fondu sera incapable de retenir le gaz expansé dans des cellules fermées et celles-ci finiront par coalescer via une rupture des parois cellulaires ou s'effondrer [181]. En conséquence, fondamentalement, une bonne résistance à l’état fondu (viscosité en cisaillement, viscosité élongationnelle) est nécessaire pour produire une mousse plastique stable, que ce soit avec un agent d'expansion physique ou chimique. Les polymères semi-cristallins comme le PP, le PET et le PLA ont de faibles résistances à l'élongation (mesure en viscosité élongationnelle), parce qu’ils ont une structure linéaire avec peu de branchements [182]. On connaît par ailleurs de manière qualitative les paramètres structuraux qui permettent d’augmenter cette rigidité, tels que la masse molaire, le degré de branchement ou de réticulation. En conséquence, en plus de l'additif moussant, des agents chimiques précurseurs d'une réticulation (peroxydes) ou d'un greffage (agents de couplage) des chaînes polymères sont ajoutés dans le polymère fondu en vue de modifier chimiquement sa structure et d'ajuster ainsi sa viscosité élongationnelle au moussage. Ces procédés, quoique largement répandus, présentent de nombreux inconvénients, à savoir : les agents chimiques généralement utilisés tels que les anhydrides, ou les peroxydes sont toxiques et présentent peu de sécurité d'emploi. L'optimisation du procédé de modification chimique (réticulation) des polymères dépend de facteurs cinétiques tels que la vitesse des réactions et est donc très aléatoire. En modifiant la structure des chaînes macromoléculaires, les propriétés physiques du polymère peuvent être altérées. A titre d'exemple, à un degré élevé de réticulation, la matrice polymère devient infusible et insoluble, ce qui rend très difficile la mise en œuvre d'après-moussage du matériau et sa biodégradation éventuelle [181].

D'autres procédés, basés sur l'utilisation de rayonnements gamma (g-rays) ou de faisceaux

d'électrons [62,64,183,184], peuvent être mis à profit pour réticuler avant le moussage le polymère et ainsi ajuster sa viscosité élongationnelle. Toutefois, l'équipement nécessaire à la réalisation de tels procédés est extrêmement coûteux.

Comme cela a déjà été mentionné dans le paragraphe précédent (1.6.3.2), d'autres additifs sont généralement utilisés, tels que des additifs nucléants (talc, stéarate de calcium, silice) qui facilitent la nucléation des bulles de la mousse et permettent de contrôler leur distribution spatiale, ou encore des nanocharges de type argile silicatée multicouche pour améliorer les propriétés mécaniques, rhéologiques, thermiques et de barrière aux gaz des polymères et notamment des polyesters biodégradables.

Compte tenu du nombre élevé d’additifs mis en jeu et de leurs éventuelles interactions, les procédés de moussage ou d’expansion actuels sont généralement complexes et difficiles à optimiser.