Interprétation du glissement

stéarate de zinc en paroi est supérieure à celle contenue au cœur, ce qui prouve bien que le stéarate de zinc exsude à la paroi de l’outil et favorise le glissement.

Figure I.33 : Comparaison des spectres IR du mélange d’EPDM contenant 4% de stéarate de zinc au cœur et a la paroi d’un jonc extrudé [89]

Mezry [58] confirme ces résultats. Pour lui, l’ajout de stéarate de zinc augmente le glissement.

L’effet est plus important à basse vitesse de cisaillement qu’à vitesse élevée. Il montre par microscopie électronique à balayage et spectrométrie infrarouge que la quantité de stéarate de zinc se trouvant à la surface de l’extrudat diminue avec la vitesse de cisaillement, ce qui est en accord avec la migration de ce produit lors de l’écoulement. En effet, à grand débit, le temps de séjour du mélange dans la filière est plus court, diminuant ainsi la migration des ingrédients incompatibles avec la gomme.

™ Geiger [29] observe expérimentalement une contrainte de cisaillement limite qui permet une séparation entre les effets de glissement et d’écoulement pour les mélanges de caoutchouc (Figure I.34). Il explique ce phénomène par un modèle microsstructural (Figure I.35) :

Figure I.34 : Courbe de cisaillement en fonction de la contrainte [29]

Figure I.35 : Mécanisme du glissement proposé par Geiger [29]

Pour des contraintes de cisaillement inférieures à la contrainte critique, le produit glisse ou frotte sur les aspérités de la filière sans que le mélange pénètre dans celles-ci.

Au dessus de la contrainte critique, le seuil d’écoulement est atteint, le caoutchouc remplit les aspérités de la surface et le cisaillement apparaît à l’interface. Le matériau adhère à la paroi, l’effet de lubrification est totalement neutralisé et il n’y a plus de glissement. Néanmoins, cette théorie paraît contestable compte tenu du fait que la vitesse de glissement à la paroi augmente avec la contrainte de cisaillement [88].

™ On retrouve le même type de raisonnement dans l’étude de Jepsen et Rabiger [33] sur un EPDM, mais cette fois les auteurs se basent sur les niveaux de pression et non plus sur la contrainte de cisaillement. Ainsi, aux faibles pressions, le matériau se comporte comme un solide, alors qu’il se comporte comme un liquide aux pressions élevées. La Figure I.36 montre que l’aire de contact “A” entre le matériau et la surface du capillaire augmente avec la pression. Aux faibles pressions P_I , il y a écoulement bouchon quelle que soit la longueur du capillaire. Pour des pressions élevées P_III, il y a deux écoulements : un écoulement de cisaillement et un autre de glissement. Pour des pressions intermédiaires P_II , l’écoulement bouchon est observé uniquement à la sortie du capillaire.

Figure I.36 : Interprétation du glissement selon Jepsen et Rabiger [33]

Les auteurs mentionnent que le noir de carbone augmente l’effet du glissement alors que des huiles naphténiques ou de paraphines ont tendance à le faire diminuer.

™ Leblanc [48] [49] explique le phénomène de glissement à la paroi par l’existence d’un écoulement complexe d’entités qui entrent en frottement non seulement les unes contre les autres mais aussi à la paroi des outillages (Figure I.37). En supposant que les agrégats de charge ont une forme shérique de diamètre 100 nm et que le caoutchouc lié à la charge a une épaisseur de l’ordre de 3 à 6 nm, une couche immobilisée à la paroi est difficilement concevable. Une vitesse de glissement nulle en paroi apparaît donc comme impossible pour de tels matériaux.

Figure I.37 : Interprétation du glissement à la paroi selon Leblanc [49]

™ Boube et al. [9] ont caractérisé par rhéométrie capillaire des mélanges d’EPDM. Les courbes d’écoulement obtenues à 100°C sont présentées à la Figure I.38. Aux faibles taux de cisaillement, les trois courbes, pour trois diamètres différents, sont distinctes. A partir d’une certaine valeur de taux de cisaillement propre à chaque diamètre de filière, un changement de régime survient et est caractérisé par des instabilités d’écoulement qui se traduisent par des oscillations régulières de pression. Les auteurs définissent alors un seuil, au-delà duquel les courbes d’écoulement se superposent relativement bien, notamment à partir de 1000s^-1.

Figure I.38 : Contrainte de cisaillement corrigée en fonction du taux de cisaillement apparent, Mélange

d’EPDM à 100°C [9]

Figure I.39 : Vitesse moyenne d’écoulement en fonction de la contrainte de cisaillement corrigée,

Mélange d’EPDM à 100°C [9]

Le tracé de la vitesse moyenne dans les capillaires en fonction de la contrainte de cisaillement corrigée (Figure I.39) fait apparaître une courbe maîtresse pour les valeurs de contraintes inférieures au seuil. De plus, la comparaison des vitesses de glissement établies par l’intermédiaire de la méthode de Mooney, et des vitesses moyennes d’écoulement ne montre pas de différence.

Ils en concluent donc que l’écoulement se fait uniquement par glissement. Le régime d’écoulement avant le seuil est un écoulement bouchon, où le mélange se comporte comme un solide glissant sur les parois de l’outillage.

En revanche au delà du seuil de contrainte, l’unicité des courbes de la Figure I.38 conduit les auteurs à faire l’hypothèse d’un écoulement avec contact collant. Ils envisagent alors de modéliser le comportement du mélange par l'utilisation d'une loi à seuil, de type Hershel Bulkley, et d'introduire une loi de glissement pour prendre en compte le régime d'écoulement correspondant aux valeurs de contraintes inférieures à celle du seuil.

Comme nous allons le montrer par la suite, une telle analyse est erronée. Le glissement ne

D’autres auteurs [13] [58] [53] interprètent de la même manière leurs résultats en introduisant un glissement de fluide à seuil.

™ C’est notamment le cas de Mezry [58]. A partir de résultats obtenus sur un mélange EPDM également, à 100 °C (Figure I.40), il postule que pour une faible contrainte à la paroi, la vitesse moyenne est indépendante du diamètre, et qu’elle est égale à la vitesse de glissement. A contrainte élevée, la relation entre contrainte et taux de cisaillement devient indépendante du diamètre et le contact est collant. L’auteur évoque ici quand même la possibilité qu’il y ait une domination de la composante du cisaillement sur celle du glissement à forte contrainte.

Figure I.40 : Contraintes de cisaillement corrigée en fonction du taux de cisaillement apparent, Mélange d’EPDM à 100°C [58].

™ Vergnes et al [88] et d’Halewyn [31], montrent (Figure I.41) des courbes d’écoulement distinctes. Ils définissent deux zones, branche I et branche II, séparées par un plateau où des oscillations de pressions sont rapportées. Ils dépouillent chacune des branches séparément, et mettent en évidence divers points :

Les vitesses de glissement obtenues dans la zone 1 sont relativement faibles et dépendent fortement du diamètre du capillaire. Un saut dans la vitesse de glissement est observé lorsque l’on passe de la zone 1 à la zone 2. La vitesse de glissement devient alors très élevée mais sa dépendance avec la géométrie est négligeable. Les auteurs indiquent que la zone présentant des instabilités d’écoulement peut être interprétée comme une zone de transition entre deux régimes de glissement différents. Cette interprétation est en contradiction avec les hypothèses précédentes.

Enfin Gobeau [30] sur des mélanges de PVC et Dimier et al. [18] sur un mélange de caoutchouc naturel montrent comment l’obtention de courbes de contrainte en fonction du cisaillement distinctes à faible cisaillement et superposées à fort cisaillement peut correspondre à un glissement sans cesse croissant avec le cisaillement. Nous décrirons dans un paragraphe ultérieur le principe de raisonnement qui aboutit à dire :

-aux faibles contraintes de cisaillement, l’écoulement dû au cisaillement est faible par rapport à l’écoulement dû au glissement.

-aux fortes contraintes de cisaillement, l’écoulement dû au cisaillement est beaucoup plus important que l’écoulement dû au glissement, bien que celui-ci ait augmenté par rapport aux faibles contraintes.

Figure I.41 : Contraintes de cisaillement en fonction du taux de cisaillement, Mélange d’EPDM à 100°C

[88]

Figure I.42 : Vitesse moyenne d’écoulement en fonction de la contrainte de cisaillement, Mélange

d’EPDM à 100°C [88]