D ESCRIPTION DES ÉCOULEMENTS ET DU MÉLANGEAGE DANS LES VIS D ’ EXTRUDEUSE

Entre 20 tr/min et 60 tr/min, nous voyons que le remplissage n’a augmenté que de un tour de vis. Or, dans le même temps, le débit est passé de 20.3 kg/h à 64.4 kg/h. La pression quant à elle n’a augmenté que de 70 à 78 bars. La faible augmentation de pression a donc entraîné cette très faible augmentation de remplissage. La très faible dépendance de la pression en tête sur le débit est due à la forte pseudoplasticité des mélanges.

™ Brzoskowski et al. [12], après avoir observé le caoutchouc sur la vis, ont aussi pratiqué des coupes transverses des chenaux de vis après vulcanisation dans l’extrudeuse, (Figure II.22).

La Figure II.22 met en évidence la présence d’un mouvement de rotation dans le sens transverse du chenal, mais ce mouvement n’est pas symétrique. Il semblerait que l’écoulement pourrait être schématisé comme sur la Figure II.23. Sur le filet d’attaque le mélange tend à changer de direction d’écoulement brutalement et tend à s’écouler le long de lignes très souvent non parallèles ni au fourreau, ni à la surface de la vis. Ce type de comportement, observé aussi bien dans les parties partiellement remplies du chenal que dans celles totalement remplies, est difficile à expliquer.

Figure II.22 : Coupes transverses effectuées après extraction de la vis D pour le mélange de NR [12]

Figure II.23 : Schéma de re-circulation observé dans les coupe transverses [12]

™ Dospisil et al. [20] ont observé l’écoulement dans une extrudeuse à caoutchouc de diamètre 30 mm et de rapport L/D de 15 (Figure II.24). Pour ce faire, ils ont utilisé deux mélanges distincts : un blanc et noir de SBR, et un autre bleu et blanc de NBR, qu’ils ont fait vulcaniser dans l’extrudeuse. L’extrudeuse est alimentée en série (on alimente successivement l’extrudeuse par des bandes noires puis blanches) ou en parallèle ( l’extrudeuse est alimentée simultanément par des bandes noires et blanches) suivant les observations souhaitées.

Figure II.24 : Extrudeuse utilisée par Dospisil et al. [20], Diamètre 30mm, L/D de 15

La Figure II.25 montre un exemple de caoutchouc vulcanisé sur la vis. On peut se rendre compte que, pour les deux mélanges, le chenal est rempli totalement. De plus, l’interface entre les deux couleurs est beaucoup plus nette pour le mélange de NBR (Figure II.25a), que pour le mélange de SBR (Figure II.25b), où le degré de mélangeage semble supérieur.

Figure II.25 : Résultats d’extraction de vis a- Mélange de NBR b- Mélange de SBR, alimentation en serie [20]

Le déroulement des chenaux (Figure II.26) permet de donner des informations plus précises que celles obtenues par le cliché précédent. On se rend nettement compte, sur la Figure II.26a, de la faible efficacité de mélangeage pour le mélange de NBR. De plus, on peut voir un déplacement plus important sur le filet avant. Par opposition, sur la Figure II.26b, une zone beaucoup plus floue est observable à l’interface des deux couleurs du mélange de SBR, nous laissant supposer un mécanisme de mélangeage plus efficace dans le sens longitudinal.

y z

x

Figure II.26 : Déroulement d’un chenal de caoutchouc, vue de dessus, a- Mélange de NBR, b- Mélange de SBR, alimentation en série [20]

a

b

Direction d’extrusion

Filet avant

Filet avant

Filet arrière Filet arrière

Direction d’extrusion, z x

a

b

D’autres informations sur l’écoulement des mélanges le long des vis peuvent être obtenues en effectuant des coupes transverses du ruban vulcanisé obtenu. La Figure II.27 montre des coupes transverses réalisées sur le mélange de NBR (9^ème et 10^ème tour de vis). L’analyse de ces images nous amène aux conclusions suivantes : l’espace dans le chenal peut être divisé en deux. Tout d’abord, il y a une zone où le mélangeage demeure assez limité, sur le filet avant. Les auteurs comparent cette zone au lit solide des thermoplastiques. Par la même analogie, sur le filet opposé, une zone de fort mélangeage est observable et peut être comparée à la zone fondue des thermoplastiques, même si le passage à l’état fondu n’intervient pas pour les mélanges de caoutchoucs. Dans cette région, le mécanisme de mélangeage semble être basé sur une déposition successive de couches. L’irrégularité de ces couches contribue à l’homogénéisation. L’ensemble de ces couches est transféré vers le filet arrière où elles sont successivement déposées jusqu'à ce que toute la profondeur du chenal de vis soit remplie.

Figure II.27 : Coupes transverses réalisées sur le mélange de NBR et, sur les 9^ème et 10^ème tour de vis, alimentation en parallèle [20]

Figure II.28 : Schéma du mécanisme d’écoulement pour : a- les thermoplastiques, b- un mélange de NBR, c- un mélange de SBR [20]

Filet avant Filet arrière

La déposition de couches successives sur le filet arrière n’a pas été observée pour le mélange de SBR. La Figure II.28 montre les écoulements pour les thermoplastiques, pour le NBR, que l’on vient de décrire, et pour le SBR. Pour ce dernier (Figure II.28c), le mécanisme a été décrit par Min et White [60]. Le mélange non miscible est forcé de circuler dans presque toute la largeur du chenal, à l’exception d’une petite zone, en bas du filet avant, où le mélange est transféré dans le sens longitudinal seulement. Ceci est sûrement dû aux faibles forces de cisaillement qui ne permettent pas de mouvement transverse dans ce coin. Même si la différence entre la Figure II.28b et la Figure II.28c n’affecte pas la nature ni la forme de l’extrudat, elle a une influence certaine sur son homogénéité.

L’utilisation de mélanges bicolores a été utilisée, comme nous l’avons vu précédemment pour visualiser l’écoulement, mais avant tout pour visualiser l’importance du mélangeage dans les procédés d’extrusion.

™ Les premières visualisations d’écoulement transverse utilisant des bandes de différentes couleurs de caoutchouc sont attribuées à Menges et Lehen [57] [50]. La Figure II.29 montre l’échelle de bon mélangeage de Menges et Lehen [57], allant de 1 à 10.

Figure II.29 : L’échelle de bon mélangeage de Menges et Lehen [57]

™ Le mélange ne dépend pas seulement du profil de vis utilisé, mais aussi des conditions d’extrusion. Ainsi, comme le montre la Figure II.30 (Kubota et al. [42]), en augmentant la longueur de la filière et ainsi la pression dans celle-ci, le mélangeage dans la vis est considérablement amélioré. Quand la pression augmente, l’écoulement des marqueurs blancs diminue peu à peu.

Figure II.30 : Homogénéité de l’extrudat en fonction de la pression en tête pour la vis B [42]

a- ∆p = 2.9 MPa b- ∆p = 10.3 MPa c- ∆p = 22 Mpa

a b c

De plus Kubota et al. [42] montrent l’influence de la profondeur du chenal de vis sur le mélange (Figure II.21). La comparaison des coupes transverses des vis A, B, C pour le mélange de NR fait apparaître que le niveau de mélangeage est moindre dans la vis B que dans les vis A et C.

™ Menges et Lehen [57] ont comparé le mélange de différents profils de vis. Ils ont comparé les huit vis de la Figure II.31. La septième vis possède une section Maillefer, tandis que la huitième a deux sections de mélange. Il apparaît que c’est cette dernière qui offre le meilleur ratio de mélange.

Figure II.31 : Profils de vis comparées par Menges et Lehen [57]

™ Wong et al. [99] ont également comparé différents profils de vis, ayant des éléments de mélangeage différents. Pour ce faire, ils utilisent une extrudeuse de diamètre 45mm dotée de fenêtres. Quatre inserts de verre disposés de chaque côte le long du fourreau permettent la visualisation de ce qui se passe dans l’extrudeuse.

L’ajout pendant l’extrusion de mélange coloré ou de noir de carbone et la visualisation leur permettent d’effectuer un classement des différentes vis testées :

Figure II.33 : Résultats des comparaison de Wong et al. [99]

™ Bigio et al. [7] (Figure II.36) ont étudié le mélange dans une extrudeuse monovis, avec différentes géométries de vis, La première possède une géométrie constante sur toute sa longueur. La deuxième vis a un simple filet de profondeur décroissante jusqu'à la moitié de la vis, puis se divise en un double filet plus étroit sur le reste de la vis. La troisième vis est identique à la seconde jusqu'à la moitié, la fin de la vis étant remplacée par une section Maddock.

Le matériau utilisé pour l’expérience est du caoutchouc silicone blanc et noir, introduit comme le montre la Figure II.34.

Figure II.34 : L’extrudeuse de Bigio et al. [7]

Figure II.35 : Coupe transverse montrant le mélangeage Bigio et al. [7]

Les résultats du mélange sont montrés sur la Figure II.35. On distingue clairement le mélangeage et son évolution au cours de l’extrusion. Au début, la démarcation entre le blanc et le noir est très franche, puis le mélange intervient et des formes d’écoulement se précisent, mais elles ne sont pas évidentes du tout à interpréter.

e d

c

c

d

e

Figure II.36 : Vis utilisées par Bigio et al. [7]