Analyse de l'homogénéisation thermique et cinétique d'un écoulement d'élastomère

par Julien Launay

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur, Thermique

Sous la direction de Pierre Mousseau, Rémi Deterre et de Nadine Allanic.

Soutenue en 2013

à Nantes , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes) , en partenariat avec Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques (autre partenaire) .

Le président du jury était René Muller.

Le jury était composé de Pierre Mousseau, Rémi Deterre, Nadine Allanic, René Muller, Jean-François Agassant, Jean-Christophe Batsale.

Les rapporteurs étaient Jean-François Agassant, Jean-Christophe Batsale.

mots clés

• Dissipation visqueuse
• Mesure thermique
• Simulation
• Extrusion
• Mécanique des fluides
• Thermique
• Polymères

Résumé

La dissipation visqueuse intervenant lors de la mise en oeuvre des polymères est à l’origine d’importantes disparités thermiques, et cinétiques dans le cas de matériaux réactifs comme les élastomères. Une réaction de cuisson prématurée de la matière, appelée « grillage », ou une mauvaise qualité de pièce peut en résulter. L’objectif de ce travail consiste à développer un dispositif expérimental, adaptable en sortie d’extrudeuse ou de presse à injecter, permettant l’étude du comportement thermique de l’écoulement d’un polymère dans des canaux de géométrie diverse. L’originalité repose sur la conception d’un outil de mesure intrusif, appelé « Cellule de Mesure de Températures » (CMT). L’instrumentation de deux CMT, une en entrée et une seconde en sortie de la filière, associée à des mesures de températures, de pression et de débit permet le suivi de l’évolution du champ thermique. Une première étude expérimentale sur une extrudeuse alimentée en élastomère EPDM, dans une géométrie d’écoulement droite, permet d’étudier les phénomènes thermiques intervenant dans la filière, et dans le système vis-fourreau de l’extrudeuse. L’utilisation conjointe des mesures et de l’outil numérique permet la validation des mesures effectuées avec les CMT. Une démarche similaire est ensuite appliquée à des géométries différentes : coude, division, changements de diamètre. Les phénomènes liés aux modifications de géométrie font l’objet d’une comparaison expérimentale et numérique avec le canal droit. La liaison des mesures et des simulations permet pour l’ensemble des géométries la détermination du potentiel énergétique, c'est-à-dire la quantité d’énergie produite par dissipation visqueuse.

Titre traduit

Analysis of the thermal and kinetic homogenization of an elastomer flow

Résumé

Viscous heating occurring during polymer processing is at the origin of important thermal and kinetic disparities in the case of reactive materials as elastomers. It may cause a premature curing reaction of the material, called "scorch", or a bad part quality. The objective of this work consists in developing an experimental, adaptable device in the exit of an extruder or an injection moulding machine, allowing the study of the thermal behavior of a polymer flow in channels of diverse geometry. The originality lies in the conception of an intrusive measurement tool, called "Temperature Measurement Cell" (TMC). The instrumentation of two TMC, one at the entry and one at the exit of the device, associated with measures of temperatures, pressures and flow rate, allows the follow-up of the evolution of the thermal field. A first experimental study on an extruder fed with an EPDM elastomer, on a straight flow geometry, allows to study the thermal phenomena occurring in the die, and in the screw-barrel system of the extruder. The joint use of the measures and the simulation software allows the validation of the measures made with the TMC. A similar approach is then applied to different geometries: bend zone, division, diameter changes. The phenomena due to the geometry modifications are the object of an experimental and numerical comparison with the straight runner flow geometry. The combination of both measures and simulations for all geometries allows the determination of the energetic potential, which is the determination of the internal energy produced by viscous heating.