Moussage de polyuréthane en injection sur un milieu poreux

Foaming of polyurethane injected on a porous material

• Auteur / Autrice : Clément Raimbault
• Direction : Patrice Laure, Séverine Boyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 25/11/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Binétruy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Laure, Séverine Boyer, Vincent Ladmiral, François Choquart
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Bruchon, Boussad Abbes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Mousses de polyuréthanes

Mots clés libres

Injection

Mousse

Polyuréthane

Poreux

Simulation numérique

Injection

Foam

Polyurethane

Porous

Numerical simulation

Résumé

Dans l’industrie automobile, les mousses de polyuréthane sont souvent combinées avec un support poreux pour améliorer les performances d’isolation acoustique et thermique. Les pièces sont fabriquées par un procédé de moulage par injection-réaction avec le milieu poreux positionné au préalable sur une paroi du moule. Un mélange de polyol, d’isocyanate et d’eau est injecté dans la cavité du moule. La réaction entre l’eau et l’isocyanate crée des bulles de dioxyde de carbone. En parallèle, la polymérisation de polyuréthane se produit par la réaction entre le polyol et l’isocyanate. L’expansion de la mousse remplit la cavité et imprègne une partie du support poreux. Le but de ce travail est de développer un modèle macroscopique pour simuler l’influence du milieu poreux sur l’écoulement du mélange dans la cavité, et sur l’évolution de la température et de la pression dans la mousse. La densité de la mousse, la distribution de tailles de bulle et l’imprégnation du milieu poreux sont également étudiées. En premier lieu, les paramètres du moussage sont identifiés avec le dispositif FOAMAT® et des expériences sont réalisées pour mesurer la densité, la porosité et la perméabilité du matériau poreux. Des essais d’injection-moussage sont réalisés dans une géométrie ‘modèle’ de moule carré sans et avec un support poreux sur la paroi inférieure. La distribution de tailles de cellule est identifiée par analyse d’images obtenues au microscope électronique à balayage et par micro-tomographie. La simulation numérique est réalisée avec le logiciel REM3D®. Pour modéliser l’écoulement de la mousse dans le milieu poreux, le modèle de Navier-Stokes-Brinkman est couplé avec le modèle de moussage. Après implémentation du modèle, la version optimisée de REM3D® est utilisée pour vérifier le modèle en comparant avec des résultats expérimentaux. Des corrélations sont réalisées entre la taille des bulles, les champs de densité et de température, la profondeur de pénétration et la perméabilité.

Polyurethane foams are sometimes combined with a porous layer to improve physical properties like sound and thermal insulation in the automotive industry. Such parts are manufactured by a reactive injection molding process, with a porous medium positioned beforehand on one of the cavity walls. A mixture composed of polyol, isocyanate and water is then injected in the closed cavity. The reaction between isocyanate and water creates carbon dioxide bubbles. Simultaneously, polymerization of polyurethane occurs resulting from the polyol and isocyanate reaction. The expanding foam fills the cavity and a part of the porous layer. The objective of this work is to develop a macroscopic model to simulate the influence of the porous medium on the mixture flow inside the cavity along with the evolution of temperature and pressure in the foam. Foam density, bubble size distribution and impregnation of the porous medium are also studied. First, foaming parameters are identified with the FOAMAT® device and experiments are performed to measure density, porosity and permeability values of a porous material. Then, foam injection tests are carried out on a stantard square mold geometry, with a porous layer on its lower wall. The cell size distribution is identified from scanning electron microscopy and micro-tomography image analyses. Numerical simulation is realized with REM3D® software. To model the foam flow in the porous medium, the Navier-Stokes-Brinkman model is coupled with the foaming model. After the implementation of this model, the upgraded REM3D® version is used to check the model by comparison with experimental data. Correlations are made between the size of bubbles, the density and temperature fields, the penetration depth of the foam in the porous medium and the permeability.