Modélisation de la cristallisation des polymères dans les procédés de plasturgie : quantification des effets thermiques et rhéologiques

par Matthieu Zinet

Thèse de doctorat en Mécanique et thermique

Sous la direction de Patrice Chantrenne.

Soutenue en 2010

à Lyon, INSA .


  • Résumé

    En plasturgie, la maîtrise de la régulation thermique des outillages apparaît aujourd’hui comme une des composantes essentielles de l’amélioration de la productivité des procédés et de la qualité des produits. S’inscrivant dans le contexte du développement d’outils numériques dédiés à l’optimisation de la « fonction refroidissement » des outillages, ce travail répond à deux besoins. Le premier est la nécessité de disposer d’un modèle précis du comportement thermique des polymères semi-cristallins au cours du refroidissement et de l’influence de cette phase sur la microstructure du matériau, conditionnant ses propriétés finales. Un modèle numérique de la cristallisation d’un polymère soumis à un écoulement anisotherme est développé. Le 1er invariant du tenseur des extra-contraintes, représentative du comportement rhéologique viscoélastique du matériau, est considérée comme la force motrice d’une germination additionnelle s’ajoutant à la germination induite par la thermique. La croissance de ces germes est décrite par deux systèmes d’équations de Schneider. Le modèle est ensuite appliqué la cristallisation d’un polypropylène isotactique dans un écoulement de cisaillement (écoulement de Couette). Les effets thermiques et rhéologiques sur la cristallisation sont alors quantifiés en termes d’accélération de la cinétique et de répartition morphologique finale (type, densité et tailles moyennes des cristallites). D’autre part, l’optimisation des performances thermiques des outillages fait appel à des techniques de mesure du transfert de chaleur précises, fiables et adaptées aux contraintes du procédé, dans le but d’alimenter et de valider les simulations numériques. Une technologie innovante d’instrumentation thermique est mise en œuvre sur un moule d’injection, sous forme d��un insert fluxmétrique, afin d’évaluer localement les transferts de chaleur entre le polymère et l’outillage. L’influence des conditions d’injection sur la réponse du capteur est analysée. Les « signatures thermiques » du procédé ainsi obtenues permettent de valider un modèle simplifié des transferts thermiques lors de la phase de refroidissement.

  • Titre traduit

    = Crystallization modeling in polymer processing : quantification of the thermal and rheological effects


  • Résumé

    In polymer processing, control of thermal regulation appears as one of the most relevant ways to increase the productivity of processes and to enhance the quality of products. In the framework of the development of numerical tools dedicated to mold cooling optimization, the purpose of this work is twofold. Firstly, in order to describe the thermal behavior of semicrystalline polymers during the cooling stage and the influence of this stage on the material's final microstructure and properties, a numerical model of crystallization under nonisothermal flows is developed. The 1st invariant of the extra-stress tensor, resulting from the viscoelastic behavior of the polymer, is considered as the driving force of flow induced nucleation added to the thermally induced nucleation. The growth of the nuclei is described by two sets of Schneider equations. The model is then applied to the nonisothermal crystallization of an isotactic polypropylene in a shear flow configuration (Couette flow). Thermal and rheological effects on crystallization are quantified in terms of kinetics enhancement and final morphological distribution (type, density and average size of crystallites). Secondly, the heat transfer measurement techniques used for mold cooling optimization must be accurate, reliable and compliant with the constraints of the process. A new thermal instrumentation technique is implemented and tested as a heat flux sensor integrated to a mold insert. The aim is to evaluate the local heat transfer between the polymer and the mold wall. The influence of the process parameters on the sensor response is analyzed. The "thermal footprints" of the process are used to validate a simplified heat transfer model of the cooling stage.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XIX-181 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 151-163

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3590)
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