Vers une approche mécanistique du vieillissement thermique du polyprophylène à l'état fondu au cours du rotomoulage

Towards an mechanistic approach of polypropylene thermal ageing at a molten state during rotational moulding

• Auteur / Autrice : Salah Sarrabi
• Direction : Abbas Tcharkhtchi, Xavier Colin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Pyrolyse

Polypropylène

Résumé

Le rotomoulage est une technique de mise en œuvre des polymères thermoplastiques. Le principal inconvénient du procédé est un séjour prolongé aux hautes températures du polymère à l’état fondu. Afin d’éviter une dégradation thermique du polymère, il est nécessaire de définir, au préalable, une fenêtre de mise en œuvre. L’objectif de la thèse est d’élaborer, par une approche mécanistique, un modèle cinétique de dégradation thermique permettant de définir certaines frontières importantes de cette fenêtre, comme le plafond de dégradation thermique. Ce modèle général est composé de deux domaines : i) Le premier domaine est consacré au modèle thermique prédisant, en tout point d’une pièce en polypropylène (PP), l’évolution locale de la température. Ce premier modèle est dérivé des mécanismes de transfert thermique se produisant au cours de la mise en œuvre, les changements de phase, fusion et cristallisation de chaque couche de polymère, étant simulés à l’aide de la méthode enthalpique. Il est validé pour différentes conditions opératoires et au niveau des divers constituants de la rotomouleuse (four, moule, polymère et air interne) à partir de mesures expérimentales. Ii) Le second domaine est consacré au modèle chimique prédisant l’avancement local de la dégradation. Ce modèle est dérivé d’un schéma mécanistique d’oxydation du PP stabilisé à l’état fondu. Il est validé à partir des concentrations des produits d’oxydation, des pertes de masse et des épaisseurs de couche oxydée mesurées expérimentalement sur des films minces et des pièces épaisses exposées en conditions isothermes (entre 170 et 230 °C) et à température variable (conditions réelles de rotomoulage, de 170 jusqu’à 250 °C). Le modèle général, constitué de ces deux modèles couplés, permet de prédire la consommation des antioxydants au cours du rotomoulage pour diverses conditions opératoires. A titre d’exemple, pour une consigne de 300 °C, le modèle prédit une période d’induction de 22 min. A 350 °C, la pièce est stable thermiquement pendant 15 min.

Rotational moulding is a polymer processing technique for the production of hollow parts. The main drawback of rotational moulding is a long stay of polymer in its molten state at high temperature. To prevent any significant polymer thermal degradation, it is necessary to define, preliminary, a processing window. The objective of this thesis is to build up, by a mechanistic approach, a kinetic model of thermal degradation allowed to define certain significant boundaries of the processing window, such as thermal degradation threshold. The general model is then composed of two levels. The first level is devoted to the thermal model predicting, in any point of a polypropylene part (PP) in development, the local evolution of temperature. This model is derived from thermal transfer mechanisms occurring during polymer processing, phase changes, polymer melting and crystallization, being simulated using an enthalpy method. Its validity is checked for various processing conditions of machine components (furnace, mould, polymer and internal air). The second level is devoted to the chemical model predicting local degradation conversion rate. This chemical level is derived from an oxidation mechanistic scheme of stabilized PP in molten state. Its validity is checked from oxidation products concentrations, mass losses and oxidised layer thickness measured experimentally on thin films and thick pieces exposed to isothermal (between 170 and 230 °C) and dynamic conditions (typically in real rotomoulding conditions, from 170 to 250 °C). The general kinetic model, composed of both coupled levels, allows to predict antioxidants consumption during processing by rotational moulding for different operating conditions. For example, for a furnace maintained at 300 °C, model predicts an induction period of 22 min. At 350 °C, part is stable during 15 min.