Nous avons vu que le profil de vis utilisé jusqu’ici permettait d’obtenir de bons niveaux d’exfoliation, mais avec des hautes températures du fait des nombreuses zones restrictives. Dans cette partie, nous proposons de montrer comment l’on pourrait utiliser la simulation pour une optimisation du procédé d’élaboration de ces nanocomposites. Nous considérons deux nouveaux profils de vis présentant une répartition différente des zones restrictives, dont le but est de fournir des niveaux d’énergie importants tout en limitant au maximum l’élévation de température.
§ Profils de vis
La Figure 5.40 présente les deux nouveaux profils de vis proposés, que l’on compare au profil de vis initial. On voit que le profil initial, numéroté 1, était composé de cinq zones restrictives à partir de l’introduction de l’argile. Le profil numéro 2 ne présente plus que trois zones restrictives. Les trois zones sont plus « longues » que sur le profil initial et sont donc plus sévères. La première zone restrictive est composée de malaxeurs bilobes neutres (90°C) suivis d’un élément inverse. Les deux zones suivantes sont composées d’une alternance de malaxeurs bilobes décalés en sens positif à 60°C puis en sens inverse à -60°C. L’objectif est de limiter le nombre de zones restrictives afin de limiter la montée en température. Le profil numéro 3 n’est quant à lui composé que d’une seul zone restrictive. Cette unique zone restrictive est composée seulement de malaxeurs bilobes, orientés successivement en sens direct à 45°, puis en sens inverse à -45°, puis en sens direct à 60° et enfin en sens inverse à -60°. Cette unique zone restrictive est donc relativement sévère.
Figure 5.40 : Détail des nouveaux profils de vis par rapport au profil initial
Pour le calcul, nous utilisons les mêmes données procédé que précédemment, à savoir un nombre de Nusselt de 40 et une température de régulation de 180°C. Notre objectif ici est d’optimiser le procédé en terme de rendement, c’est-à-dire calculer le débit maximal permis par les différents profils de vis proposés sans dégrader le produit. Nous avons vu dans la section précédente que l’énergie dissipée optimale se situait autour de 300 kWh/t, une énergie supérieure semblant dégrader l’état de dispersion. De plus, nous avons noté qu’une température supérieure à 210°C n’était pas bénéfique pour la dispersion de l’argile. En faisant varier la vitesse entre 300 et 600 tr/min, ainsi que le débit entre 2,6 et 15 kg/h, et en utilisant les critères sur l’énergie et la température définis précédemment, nous allons calculer pour chaque profil de vis le débit maximal possible. Nous nous focalisons ici sur les critères d’énergie afin de ne pas alourdir le texte. Les critères de déformation cumulée étant tout autant pertinents, les analyses se situent en Annexe IV.
§ Paramètres procédé
La Figure 5.41 présente l’évolution de l’énergie dissipée et de la température de sortie en fonction de la vitesse de rotation et du débit d’alimentation pour le profil initial n°1. Pour chaque vitesse et débit utilisé, la température de sortie (en bleu) et l’énergie dissipée (en rouge) sont indiquées sur le graphe. A partir de ces données, nous pouvons tracer dans un premier temps une courbe iso-énergie de 300 kWh/t, qui correspond à l’énergie de dispersion optimale, et une courbe iso-température de 210°C,
température au-delà de laquelle la dispersion de l’argile est limitée. La courbe iso-température nous indique que la vitesse de rotation optimale est située entre 400 et 500 tr/min. L’intersection de cette courbe avec la courbe iso-énergie de 300 kWh/t montre que le débit maximal possible avec ces critères et ce profil de vis est de 4,2 kg/h (point noir sur le graphique), ce qui reste un débit faible. Toutefois, si l’on change les critères restrictifs sur l’énergie et la température, en considérant que des températures plus importantes peuvent être atteintes sans endommager les composants, ou bien que des niveaux d’énergie moindres permettent une dispersion suffisante, on remarque que l’on peut atteindre des débits plus importants. Ces variations seront commentées en fin de section sur un graphe récapitulatif.
Figure 5.41 : Evolutions de la température de sortie et de l’énergie dissipée en fonction de la vitesse de rotation et du débit pour le profil de vis initial n°1 (Trégul = 180°C)
Figure 5.42 : Evolutions de la température de sortie et de l’énergie dissipée en fonction de la vitesse de rotation et du débit pour le profil de vis n°2 (Trégul = 180°C)
Profil n°1
Si l’on regarde les courbes iso-énergie et iso-température pour le profil n°2, on observe des tendances similaires au profil n°1 (Figure 5.42). L’intersection de la courbe iso-énergie de 300 kWh/t et de la courbe iso-température de 210°C indique un débit maximal de 5,7 kg/h, ce qui marque une légère amélioration par rapport au profil initial.
Enfin, la Figure 5.43 présente les données procédé du profil n°3. On remarque que ce profil est moins sévère que les deux autres en termes de température. Cela va évidemment de pair avec des niveaux d’énergie moins importants. Ainsi, le débit maximal calculé pour les critères de 300 kWh/t et de 210°C est de 4,2 kg/h, ce qui en fait le profil le moins intéressant du point de vue de la productivité dans ces conditions de préparation.
Figure 5.43 : Evolutions de la température de sortie et de l’énergie dissipée en fonction de la vitesse de rotation et du débit pour le profil de vis n°3 (Trégul = 180°C)
Nous avons proposé en début de section une énergie optimale de 300 kWh/t et une température maximale de 210°C. Toutefois, ces critères peuvent être modifiés. La Figure 5.44 montre les différents débits maximaux calculés si l’on modifie les critères de préparation pour les différents profils de vis. Dans un premier temps, on fixe une température maximale de 210°C, mais en considérant que des niveaux d’énergie dissipée moindres (200 kWh/t et 150 kWh/t) permettent une dispersion suffisante (Figure 5.44a). On remarque que de manière générale, le débit augmente lorsque le critère d’énergie diminue. On atteint ainsi des débits autour de 8 kg/h pour une énergie de 200 kWh/t, puis compris entre 10 kg/h et 12 kg/h pour un critère d’énergie de 150 kWh/t. Le profil n°2 semble à chaque fois permettre le débit le plus important. Le profil n°3, ne comprenant qu’une seul zone restrictive, semble le moins adapté. Dans un deuxième temps, on fixe le critère d’énergie à 300 kWh/t, en faisant varier la température de sortie maximale entre 200°C et 215°C (Figure 5.44b). On remarque que globalement, des critères de températures plus importants permettent des débits maximaux supérieurs. On remarque toutefois que la température de sortie a un effet moins marqué sur les débits maximaux calculés que l’énergie dissipée, les débits présentés ici ne variant qu’entre 3 kg/h et 6 kg/h. Encore une fois, c’est le profil de vis n°2 qui permet les débits maximaux les plus importants, notamment aux critères de température de 210°C et 215°C.
Figure 5.44 : Evolution du débit maximum calculé en fonction de a) l’énergie dissipée et b) la température de sortie sur les trois profils de vis étudiés
La réduction du nombre de zones restrictives sur le profil n°2 semble être bénéfique pour la préparation de nanocomposites. Nous avons vu qu’il permettait ainsi d’atteindre de bons niveaux d’énergie, similaires à ceux atteints avec le profil n°1, tout en restant à des températures évitant l’endommagement de la matrice. Les données procédé sont toutefois très proches de celles du profil initial. Le profil n°3, ne comprenant qu’une seule zone restrictive, permet de garder des températures assez basses mais ne permet pas de fournir des niveaux d’énergie assez importants. Ainsi, les débits maximaux calculés selon nos critères ne sont pas satisfaisants.