Le rotomoulage est un procédé de transformation des matières plastiques permettant la production de pièces creuses jusqu'à 175 000 L de volume. Le premier brevet décrivant le procédé date de 1855. Cependant, ce n’est qu’à partir des années 50 et de la commercialisation des polymères synthétiques que le procédé prend son essor industriel [COP 96]. Il consiste à répartir par gravité une matière fondue ou liquide sur les parois internes d’un moule en rotation. Le moule tourne généralement au centre de deux axes perpendiculaires jusqu’à la solidification du polymère. Les vitesses de rotation sont suffisamment faibles (2 à 20 rotations par minute) pour ne pas induire de centrifugation de la matière. Ainsi, les pièces obtenues possèdent une épaisseur homogène malgré la complexité de la géométrie. Les applications du rotomoulage sont extrêmement variables et se retrouvent dans les réservoirs, les silos, les jouets creux, les kayaks et pédalos, les boîtes aux lettres, les fauteuils médicaux, les mannequins, les accoudoirs automobiles, les balises de signalisation, les mobiliers urbains, les équipements agricoles, etc.
Deux méthodes de rotomoulage se distinguent : le rotomoulage dit « conventionnel » par fusion de poudres polymères et le rotomoulage réactif (RRM) pour lequel la polymérisation et la mise en forme sont simultanées.
2.1.1 Rotomoulage conventionnel (voie fondue)
Le cycle de rotomoulage « conventionnel » est réservé aux thermoplastiques. Le polymère sous forme de poudre micronisée va fondre (ou fluer), coalescer et se densifier par élimination de la porosité. Ce procédé se divise en quatre étapes présentées sur la Figure 30.
Figure 30 : Cycle en 4 étapes du rotomoulage classique - 1ère étape : Le polymère est chargé à l’état micronisé dans le moule.
- 2ème étape : Une fois le moule refermé, ce dernier est mis en rotation biaxiale et chauffé pour fondre le matériau. Les polymères possédant une conductivité thermique faible (100 fois inférieure aux métaux), cette seconde étape est relativement lente. Elle dépend donc de la qualité de chauffage du moule (convection dans un four < radiation par infrarouge < conduction par canaux d’huile) et de l’épaisseur de polymère à transformer. Lors de cette étape, la
poudre fusionne et coalesce couche par couche de la surface externe vers l’intérieur de la pièce. Le chauffage de la matière est généralement strictement croissant afin d’éliminer la porosité par absorption et/ou diffusion du gaz (Figure 31).
- 3ème étape : Lorsque la matière est correctement répartie et sufisamment dense, le moule est refroidi par ventilation, aspersion d’eau ou par des canaux d’huile froide. Le refroidissement doit être particulièrement contrôlé pour les polymères semi-cristallins afin de former des phases cristallines stables avec des cristaux homogènes. La rotation est maintenue durant toute cette étape pour éviter le fluage de la matière.
- 4ème étape : La dernière étape consiste à démouler la pièce une fois que celle-ci se trouve à une température suffisamment basse pour ne pas la déformer plastiquement.
Figure 31 : Fusion / coalescence / densification lors du rotomoulage par voie fondue Les polymères les plus transformés par voie fondue sont les thermoplastiques fusibles tels que le polyéthylène (PE : 90% du marché), le polypropylène (PP) et les polyamides (PA6, PA11 et PA12). Ils sont généralement transformés entre 30 et 70°C au-dessus de leur température de fusion. Cette température permet d’abaisser suffisamment la viscosité de la matière sans dégrader le matériau [TCH 04’]. Les matériaux amorphes comme le polycarbonate (PC), le polystyrène (PS) ou le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) sont plus rarement employés. Ces polymères ne possèdent pas de température de fusion et nécessitent de très hautes températures pour fluer suffisamment sans aucun cisaillement induit. Ces matériaux sont transformés au-delà de 200°C voire 300°C avec un moule à canaux permettant un excellent contrôle thermique afin de minimiser leur durée à haute température.
Les temps de cycle à haute température étant relativement longs, des anti-oxydants sont indispensables dans les grades dédiés au rotomoulage « conventionnel ». De même, les polymères utilisés sont synthétisés avec des branchements ou des faibles masses molaires afin d’obtenir des indices de fluidité, MFI (Melt Flow Index) inférieurs à 10. Cette modification moléculaire entraîne une diminution des propriétés mécaniques plastiques par rapport à un polymère linéaire de haute masse molaire. Généralement, les granulés de polymères sont micronisés avec une granulométrie entre 100 et 500 µm afin de privilégier la conduction par rapport à la convection et raccourcir ainsi la durée de chauffage. La porosité de la pièce finale tend à diminuer lorsque la gamme de granulométrie augmente.
2.1.2 Rotomoulage réactif
Les différents inconvénients du rotomoulage classique ont favorisé l'émergence du rotomoulage réactif (RRM). Ce procédé est basé sur une mise en forme et une polymérisation simultanées dans la rotomouleuse. Ainsi, au lieu de charger le moule avec un polymère en poudre, leurs monomères réactifs sont directement injectés à l’état liquide. Le chauffage du moule lors de sa rotaton assure la polymérisation. La matière se répartit sur les parois du moule par augmentation de la viscosité due à l’avancée de la réaction. Une fois la réaction terminée, la pièce est refroidie et démoulée (Figure 32).
Moule Machine de mélange A B Moule Machine de mélange A B A B Pièce finale
Pièce finale Figure 32 : Principe du rotomoulage réactif
Le rotomoulage réactif offre de nombreux avantages par rapport au procédé conventionnel en poudre tels des cycles raccourcis, de plus faibles températures de procédés et des propriétés finales améliorées.
A titre d’exemple, le Tableau 7 compare les différentes étapes pour le rotomoulage en voies fondue et réactive du polyamide 6. Pour la voie fondue, le polymère doit être synthétisé, additivé d’anti-oxydants par extrusion, compoundé puis micronisé avant même le procédé de rotomoulage. Pour le procédé réactif, la mise en forme est nettement facilitée grâce à des températures moins élevées (moins d’oxydation, de coupures de chaînes, de risque de polycondensation) et un environnement moins sévère (atmosphère inerte et sèche). Enfin, il est possible de formuler les grades à façon et de modifier très facilement les propriétés finales par le choix et les quantités d’amorceurs / activateurs et d’additifs utilisés.
Rotomoulage Voie fondue Voie réactive
Type de polymérisation Hydrolytique (préalable) Anionique (dans le moule)
Temps de polymérisation 10 à 20 heures Inclus dans le temps de
rotomoulage
Compoundage (granulé) oui
non
Micronisation (poudre) oui
Temps de rotomoulage 80 min 20 min
Température de mise en
œuvre (moule) > 250°C > 150°C
Azote pendant le
rotomoulage 0,5 bar (tout le cycle) Optionnel
Rugosité de la face interne Moyenne Très fine
Risque d’oxydation Important Faible
Tableau 7 : Comparaison entre rotomoulage par voie fondue et par voie réactive du PA6 [CHA 05]
De plus, le rotomoulage réactif permet la mise en oeuvre de polymères thermodurcissables intransformables par le procédé classique. Ces nouveaux matériaux ouvrent la porte à des applications plus diversifiées à hautes propriétés techniques attendues. La liste des systèmes réactifs employés et potentiels est présentée dans le paragraphe 2.4.
Un procédé de rotomoulage mixant les deux voies est de plus en plus utilisé. Dans le principe, une poudre est fondue et se répartit classiquement sur le moule. Cependant, la poudre présente un additif thermiquement activable qui va induire une réaction chimique. Il peut s’agir de peroxydes dans une poudre de PE qui vont réticuler la matrice dès qu’elle atteint 180°C. Un nœud de réticulation se produit tous les 500 à 1000 atomes de carbone. Cette modification améliore nettement la résistance thermomécanique et chimique par rapport à un PE thermoplastique. Ce polymère communément appelé XLPE (crosslinked PE) trouve ses principales applications dans le stockage ou le transport d’essence ou d’eau chaude et tend à remplacer le PVC. De même, la combianison des deux voies permet de faire mousser un PE par dégradation thermique d’agents moussants. Le moussage fait chuter la densité du matériau et apporte des propriétés d’isolation acoustiques ou thermiques. Ainsi, toutes les pièces réservées aux applications marines telles les kayaks, pédalos, bouées sont réalisées par double ou triple couche de PE. La couche interne est volontairement moussée afin d’améliorer la flottabilité de l’ensemble.