TECHNIQUES EXPERIMENTALES
3.2. Mise en forme des échantillons
3.2.1. Injection de plaques massives
3.2.1.1. PP/EPR et PP-co-PE-g-MAH sans charge minérale
La figure 3.2.1 illustre la géométrie des plaques injectées de 200 mm de long, de 150 mm de large et de 4 mm d'épaisseur. Chaque plaque a une masse de 185 ± 5 g. Les trois échantillons dénommés Pe1 à Pe3 sont répartis dans les zones caractéristiques du plan de la plaque. Ainsi, une étude de la microstructure a pu être réalisée afin d’évaluer l’état d’anisotropie dû à la mise en forme par injection en analysant chaque millimètre de chaque perte disposée de part et d’autre de la plaque.
200 mm 150 mm
4 mm
Pe3
Pe2
Pe1 Pe1
Pe2
Pe3
Figure 3.2.1 : Schéma d’une moulée de plaques obtenue par injection.
Les zones prélevées pour la caractérisation microstructurale des plaques sont repérées par les notations Pe1 à Pe3.
L'injection s'est déroulée au sein d’Apollor S.A. implantée à Moncel-Lès-Luneville.
La presse d’injection est une Ferromatik Milacron série MAXIMA de type KS275 (figure 3.2.2).
Figure 3.2.2 : Machine d’injection Ferromatik Milacron modèle Maxima KS275.
Au préalable, la matière première a été placée dans un déshumidificateur pendant deux heures à une température de 70°C afin d'éliminer l'eau absorbée qui nuirait au bon déroulement du procédé d'injection et qui pourrait causer la détérioration du matériau
Chapitre III : Matériaux
polymère. Une partie de la matière a servi à la purge et à la définition des paramètres d'injection. Le reste a été utilisé pour terminer l'ajustement des paramètres et la production des plaques. Ces dernières doivent alors être dépourvues de toute orientation et ne pas contenir de phase β. Notre étude sera menée sur des matériaux de microstructure isotrope.
De part leurs propriétés intrinsèques différentes (notamment au niveau de la température de fusion et de la viscosité), le PP/EPR et le PP-co-PE-g-MAH n’ont pas été injectés avec les mêmes paramètres. Seul le diamètre de la vis d’injection reste le même : d = 60 mm.
Caractéristiques d’injection PP-co-PE-g-MAH PP/EPR
Température du moule (°C) 28 28
Pression du moule (bar) 50 40
Vitesse d’injection (mm/s) 80 50
Pression d’injection (bar) 140 140
Temps de refroidissement (s) 35 35
Pression de maintien (bar) 180 150
Contre pression (bar) 35 10 à 30
Temps de maintien (s) 20 7 à 15
Tableau 3.2.1 : Paramètres d’injection des deux matériaux PP/EPR et PP-co-PE-g-MAH.
Les profils de température au sein de l’extrudeuse sont présentés par la figure 3.2.3 a) pour le PP/EPR et par la figure 3.2.3 b) pour le PP-co-PE-g-MAH.
a) b)
Figure 3.2.3 : Profils de température tout au long des différentes parties de l’extrudeuse.
a) Cas du PP/EPR et b) cas du PP-co-PE-g-MAH.
3.2.1.2. PP/EPR chargé µ-talc et carbonate de calcium
L'influence des charges sur le comportement thermomécanique du PP/EPR a également été étudiée à partir de matériaux injectés.
Deux types de charges minérales ont été retenus au départ : le carbonate de calcium (33 %wt) et le µ-talc (7 %wt). L'injection s'est déroulée au sein du CRITT Polymère Picardie.
Chapitre III : Matériaux
Les plaques obtenues sont décrites à la figure 3.2.4. Elles mesurent 394 mm de long sur 98,5 mm de large. Leur épaisseur est de 5 mm. Le point de remplissage se situe au centre de la plaque (figures 3.2.4 et 3.2.5), détail qui a une conséquence sur la texture macromoléculaire du matériau. Pour les analyses de la microstructure, nous supposerons la direction d'injection (MD) comme décrite sur la figure 3.2.4 ; c'est-à-dire la direction longitudinale de la plaque.
Pe1
Pe2 MD
394 mm 5 mm
98,5 mm Point de remplissage
Figure 3.2.4 : Schéma d’une plaque obtenue par injection au CRITT Polymères Picardie.
Les zones prélevées pour la caractérisation microstructurale sont repérées par les notations Pe1 et Pe2.
Figure 3.2.5 : Moule d’injection utilisé au CRITT Polymères Picardie pour la mise en forme des plaques de PP/EPR chargé par des particules minérales (CaCO3 et µ-talc).
La flèche indique le point de remplissage.
Avant l'insertion des granulés dans la trémie, tous les matériaux ont été séchés afin d'en éliminer l'eau afin d’éviter toute dégradation chimique du matériau.
Les caractéristiques du procédé d'injection utilisées sont rassemblées dans le tableau 3.2.2. Le profil de température du fourreau est le suivant : 220°C (buse) / 215°C / 210°C / 200°C / 195°C (trémie).
Chapitre III : Matériaux
Caractéristiques d’injection PP/EPR chargé Température du moule (°C) 30 Pression du moule (bar) 60 Vitesse d’injection (mm/s) 40 Pression d’injection (bar) 1000 Temps de refroidissement (s) 60 Pression de maintien (bar) 200
Contre pression (bar) 10
Temps de maintien (s) 15
Tableau 3.2.2 : Paramètres d’injection des deux matériaux PP/EPR chargé CaCO3 et µ-talc.
3.2.2. Extrusion et colaminage de films multicouches
Les films bicouches ont été obtenus par co-extrusion. Il s'agit d'un système de deux extrudeuses possédant la même tête d'extrusion. Cette dernière répartit chacune des deux matières l'une au dessus de l'autre.
La figure 3.2.6 illustre un dispositif de type laboratoire (Centre Català del Platics, Terrassa, Espagne). Il faut noter que ce système permet aussi de mettre en œuvre des films monocouches en utilisant qu'une seule des deux filières.
Figure 3.2.6 : Système COLLIN de co-extrusion à dimension laboratoire pour l'élaboration de films polymères bicouches (Ponçot, 2006).
Afin d’obtenir la meilleure qualité de film en termes de microstructure semi-cristalline et de texture des chaînes macromoléculaires, nous avons essayé différentes méthodes d’extrusion, ou plus exactement divers systèmes de refroidissement post-extrusion. Ils sont présentés par la figure 3.2.7.
Chapitre III : Matériaux
Figure 3.2.7 : Schémas descriptifs des 3 systèmes post-extrusion de refroidissement.
a) Calandrage (CRITT Polymères Picardie), b) Air Knife et c) Steel Belt
Le système de calandrage a été utilisé au CRITT Polymères de Picardie. C’est le système le plus courant dans l’industrie du film thermoplastique. Le film de polymère passe, après la tête de l’extrudeuse, dans un montage constitué de trois rouleaux. Ceux-ci sont réglés de manière à appliquer une certaine pression sur le film organique afin d’obtenir l’épaisseur désirée. Ces rouleaux sont thermorégulés par un circuit d’eau réfrigérée. Le passage dans les rouleaux permet également le contrôle de la cinétique de refroidissement du film polymère.
Le calandrage permet un bon contrôle de la planéité et de la rugosité de surface.
Cependant, il présente quelques inconvénients majeurs lorsqu’il est monté sur une ligne industrielle. Pour de hautes vitesses de production (100 m/min), il est impossible de produire des épaisseurs inférieures à 300 µm. De plus, le bourrelet (Roll nip) qui se crée à l’entrée des rouleaux induit un flux de matière qui entraîne le développement de fortes contraintes internes dans le film. Lors d’une cristallisation rapide par un refroidissement violent, ces dernières peuvent se figer dans le matériau.
Les paramètres d’extrusion qui ont servi à la production du film monocouche de PP/EPR (290 µm) et des films bicouches sont rassemblés dans les tableaux 3.2.3 et 3.2.4, respectivement. Les épaisseurs des films P0161 et P0163 sont respectivement de 290 µm et 300 µm.
Tableau 3.2.3 : Paramètres d’extrusion calandrage utilisés au CRITT Polymères Picardie pour la mise en forme du film monocouche de PP/EPR, le P0270-1.
Chapitre III : Matériaux
Nomenclature films libres
extrudés Polymère Ouverture filière
Tableau 3.2.4 : Paramètres d’extrusion calandrage utilisés au CRITT Polymères Picardie pour la co-extrusion des films bicouches de PP/EPR + PP-co-PE-g-MAH.
Les systèmes de refroidissement Air Knife et Steel Belt diffèrent du calandrage par la position verticale de la filière et de la tête d’extrusion et par la présence d’un seul rouleau évitant ainsi la formation d’un bourrelet nuisible à l’homogénéité microstructurale du film.
Dans le cas de la technique Air Knife (dérivée de la technologie Cast), le polymère est déposé au contact d’un rouleau thermorégulé par un jet d’air. Les inconvénients de ce système sont multiples : impossibilité de produire des films d’épaisseurs supérieures à 300 µm, contrôle de la planéité et de la rugosité sur une seule des deux faces (coté rouleau). Pour le système Steel Belt, il s’agit d’une lame d’acier qui assure le contact avec le rouleau. Cette technique permet la fabrication de film avec une large gamme d’épaisseurs et un très bel aspect. En effet, les deux surfaces sont contrôlées en termes de planéité et de rugosité. Par mesure de confidentialité, les paramètres d'extrusion des films bicouches produits selon ces deux systèmes (Steel Belt et Air Knife) ne sont pas présentés.
Finalement, un film monocouche de PP-co-PE-g-MAH a été étudié. Il a été obtenu par pressage à chaud puis refroidit dans l'eau à température ambiante. Il est mis en forme par Florence Avril, doctorante au Laboratoire des Matériaux Polymères et Biomatériaux de l'Université Claude Bernard Lyon 1.
Une fois les comportements thermomécaniques des plaques injectées et des films extrudés mono- et bicouches connus, nos analyses se sont tournées vers le composite SmooSteel™ dans son intégralité, c'est-à-dire le film bicouche colaminé sur la tôle d'acier galvanisé et traité. Les études ont été réalisées sur des matériaux colaminés industriellement et en laboratoire dont les systèmes sont présentés par la figure 3.2.8. En amont de ce procédé, l'acier subit différents traitements tels que la galvanisation, le dégraissage alcalin et un traitement de conversion à base de H2TiF6. Le film polymère est déposé sur l’acier galvanisé lorsque cette dernière est à environ 180 °C. Au laboratoire, ces plaques sont préalablement chauffées dans une étuve à 220 °C pendant 10 à 15 minutes. Une fois sorties du four et après 27 seconde d’attente à la température ambiante les plaques sont insérées dans le colaminateur
Chapitre III : Matériaux
(P = 5 bars / T = 180 °C). A cette température la couche de PP-co-PE-g-MAH fond sur une certaine épaisseur, état physique nécessaire pour une bonne adhésion du film organique avec la tôle : migration vers l'interface des groupements fonctionnels des greffons d'anhydride maléique présents dans le PP-co-PE-g-MAH puis réaction physicochimique avec la couche d'oxyde superficielle de l'acier comme décrit dans la partie 4) de l'annexe A.
a) b)
Figure 3.2.8 : Schéma et photographie des 2 systèmes de colaminage du film polymère bicouche sur la tôle d'acier. a) Colaminage sur une ligne de laquage industrielle,
b) Colaminage laboratoire.