Etude expérimentale du défaut oscillant d un polyéthylène haute  densité par vélocimétrie laser
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Etude expérimentale du défaut oscillant d'un polyéthylène haute densité par vélocimétrie laser

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ŁmeXV CongrŁs Fran ais de MØcanique Nancy, 3 7 Septembre 2001 625 ETUDE EXPERIMENTALE DU DEFAUT OSCILLANT D'UN POLYETHYLENE HAUTE DENSITE PAR VELOCIMETRIE LASER ET BIREFRINGENCE D'ECOULEMENT 1, 2 1 1, 2Laurent ROBERT , Bruno VERGNES , Yves DEMAY 1CEMEF, UMR CNRS/ENSMP 7635, BP 207, 06904 Sophia Antipolis Cedex, France. 2INLN, UMR CNRS/UNSA 129, 1361, route des Lucioles, 06560 Valbonne, France. Résumé : Nous Øtudions l’instabilitØ oscillante d’un polyØthylŁne haute densitØ (PEHD) l’aide d’une extrudeuse monovis munie d’une filiŁre plate et transparente. Nous utilisons les techniques de vØlocimØtrie laser Doppler et de birØfringence, permettant d’obtenir la vitesse et le champ de contrainte local. Pendant l’instabilitØ, la vitesse oscille entre deux profils limites stables et les franges de birØfringence prØsentent diffØrentes figures de pulsations, suggØrant un mØcanisme pØriodique de type transition adhØsion/glissement. Le glissement n’est pas homogŁne dans une section pour ce type de gØomØtrie, et l’Øcoulement bouchon ne s’Øtablit qu’ trŁs fort dØbit. Abstract : The spurt instability of a molten linear high-density polyethylene (HDPE) is studied using a single screw extruder with a transparent slit die. Experiments were performed using laser Doppler velocimetry (LDV) and birefringence techniques, to obtain the local velocity and stress fields. During the instability, the velocity oscillates between two steady state limits and birefringence ...

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ŁmeXV CongrŁs Fran ais de MØcanique Nancy, 3 7 Septembre 2001
625
ETUDE EXPERIMENTALE DU DEFAUT OSCILLANT D'UN
POLYETHYLENE HAUTE DENSITE PAR VELOCIMETRIE LASER ET
BIREFRINGENCE D'ECOULEMENT
1, 2 1 1, 2Laurent ROBERT , Bruno VERGNES , Yves DEMAY
1CEMEF, UMR CNRS/ENSMP 7635, BP 207, 06904 Sophia Antipolis Cedex, France.
2INLN, UMR CNRS/UNSA 129, 1361, route des Lucioles, 06560 Valbonne, France.
Résumé :
Nous Øtudions l’instabilitØ oscillante d’un polyØthylŁne haute densitØ (PEHD) l’aide d’une extrudeuse monovis
munie d’une filiŁre plate et transparente. Nous utilisons les techniques de vØlocimØtrie laser Doppler et de
birØfringence, permettant d’obtenir la vitesse et le champ de contrainte local. Pendant l’instabilitØ, la vitesse
oscille entre deux profils limites stables et les franges de birØfringence prØsentent diffØrentes figures de
pulsations, suggØrant un mØcanisme pØriodique de type transition adhØsion/glissement. Le glissement n’est pas
homogŁne dans une section pour ce type de gØomØtrie, et l’Øcoulement bouchon ne s’Øtablit qu’ trŁs fort dØbit.
Abstract :
The spurt instability of a molten linear high-density polyethylene (HDPE) is studied using a single screw
extruder with a transparent slit die. Experiments were performed using laser Doppler velocimetry (LDV) and
birefringence techniques, to obtain the local velocity and stress fields. During the instability, the velocity
oscillates between two steady state limits and birefringence fringes show periodic pulsations, suggesting a
periodic stick-slip transition mechanism. Wall slip is not homogeneous in a cross section of the slit die, and pure
plug flow occurs only for very high flow rate.
Mots clés :
défaut d'extrusion, instabilité oscillante, glissement, vélocimétrie laser Doppler,
biréfringence, polyéthylène.
1 Introduction
Il est bien connu des praticiens de l'extrusion des polymères thermoplastiques que, au-delà
de certaines conditions critiques, l'écoulement peut devenir instable et l'extrudat présenter des
défauts d'aspects, voir par exemple Larson (1992). Le défaut oscillant est un défaut
d'extrusion typique des polymères à chaînes macromoléculaires longues et peu ramifiées,
comme les polyéthylènes haute densité (PEHD). La courbe d'écoulement (pression/débit
réduit) présente, dans ce cas, deux branches stables (br. I et br. II) séparées par une zone
instable (zone oscillante). Expérimentalement El Kissi et Piau (1990), Hatzikiriakos et Dealy
(1992) et Durand et al. (1996), par exemple, ont observé dans cette zone des oscillations de
pression lorsqu'on extrude à débit imposé et des sauts de débit lorsqu'on extrude à pression
imposée.
1




ŁmeXV CongrŁs Fran ais de MØcanique Nancy, 3 7 Septembre 2001
Les mécanismes proposés pour expliquer ce phénomène sont d'une part la compressibilité
du polymère dans le réservoir et d'autre part une transition conduisant à un glissement
significatif à la paroi (Wang (1999), Münstedt et al. (2000) et Yarin et Graham (1998)).
Cette étude, par les méthodes couplées de biréfringence et de vélocimétrie, doit nous
permettre de mieux comprendre quelle est la physique de la transition, et d'apprécier le
comportement réel du matériau le long de la br. II.
2 Montage expérimental
On présente figure 1 le montage expérimental utilisé, ainsi qu'un schéma de la géométrie
de la filière.
LUMIERE CAPTEUR DE
MONOCHROMATIQUE
−PRESSION Y +X
POLARIZEUR
EXTRUDAT
CANAL EXTRUDEUSE + 0Z
ANALYSEUR −Z
(DEUX LAMES QUART
D’ONDE INSEREES)
−XVERRE W +Y


a. SchØma du montage expØrimental. b. GØomØtrie de la filiŁre plate.
FIG. 1 : Montage expØrimental et gØomØtrie de la filiŁre.

Nous avons utilisé une extrudeuse monovis munie d'une filière plate en contrôlant la
température à 160 °C ou 180 °C (+/- 2 °C) suivant les cas. Le matériau extrudé est un PEHD
commercial fourni par Elf-Atochem, de polydispersité (M /M ) de 17 et de poids moléculaire w n
moyen (M ) de 200 000 g/mol. Ses caractéristiques rhéologiques ont été mesurées en w
rhéométrie oscillatoire et en rhéométrie capillaire. Pour les régimes classiques d'extrusion, la
viscosité peut être modélisée par une simple loi puissance. Ce polymère fondu est extrudé
entre deux surfaces en acier poli (Ra < 4 µm) et deux surfaces transparentes en Pirex recuit,
sur les cotés. Deux géométries d'écoulement définies figure 1.b (direction d'écoulement X-)
ont été utilisées : H=1.88 mm, W=15.6 mm et L=20 mm (géométrie 1), et H=1.02 mm,
W=10.2 mm et L=24.5 mm (géométrie 2).

Les vitesses sont mesurées avec un système de vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV)
(Schmidt et al. (1999)). Ces mesures sont délicates près de la paroi (volume de mesure non
négligeable, manque de particules en paroi...).

En ce qui concerne la biréfringence, une lumière monochromatique polarisée linéairement
traverse la filière d'épaisseur W puis un analyseur. On obtient une extinction (isochromes)
pour tout k entier, et l'état de contrainte est − = kλ / CW , où σ et σ sont les deux σ σ I III II
premières contraintes principales, λ la longueur d'onde de la lumière et C le coefficient de
Brewster. Nous avons utilisé une caméra rapide munie d'une voie analogique d'acquisition
synchrone, permettant d'enregistrer en temps réel la perte de charge dans le réservoir et les
images vidéo des franges de biréfringence.
2
L
Lr
CAMERA CCD
LASER LDV
H
HrŁmeXV CongrŁs Fran ais de MØcanique Nancy, 3 7 Septembre 2001
3 Courbe d'écoulement
On présente figure 2 la courbe
10 d'écoulement obtenue avec la géométrie
−1
50 s 2 à 160 °C. La br. I correspond à 0 < γ&app
-1< 40 s , la zone oscillante à 40 < < γ&app
-1 -1
−1 80 s et la br. II à 80 < < 500 s . 162 s &γ app
−1
19 s Nous avons indiqué, pour les points
noirs, la valeur numérique du débit
réduit. Ces points correspondent aux
profils de vitesse présentés par la suite.
Le comportement est rhéofluidifiant en
loi puissance sur la br. I, la zone
3 oscillante est représentée par les maxima 10 100
−1
Taux de cisaillement apparent (s ) et minima de la pression, et la br. II (où
la pression est presque constante et

inférieure au maximum de la br. I)
FIG. 2 : Courbe d’Øcoulement 160 C. semble très longue.
4 Résultats
4.1 Mesures de vitesse

4.1.1 Profils de vitesse stationnaires (branches stables)

La figure 3.a montre le profil de vitesse en br. I (0 < Z < 5 mm et X=-12 mm) obtenu avec
-1la géométrie 2 à 160 °C pour un débit réduit de 19 s . Les valeurs expérimentales (points
noirs) sont comparées au résultat d'un calcul numérique par éléments finis au même débit
imposé utilisant un contact collant à la paroi (maillage). La valeur de la vitesse maximale est
-1en mm.s . On observe dans ce cas un très bon accord entre les profils calculés et mesurés.

4.518 39.21
0 0
-1 -1FIG. 3.a : Profils de vitesse 19 s en br. I. FIG. 3.b : Profils de vitesse 162 s en br. II.

La figure 3.b montre le profil de vitesse en br. II (0 < Z < 5 mm et X=-12 mm) obtenu avec
-1la même géométrie pour un débit réduit de 162 s . L'écoulement en br. II donne des profils
stationnaires, mais le polymère ne colle pas à la paroi sur la partie centrale (0 < Z < 3 mm).
On observe pour 0 < Z < 3 mm un profil quasiment plat (au-dessus du profil théorique)
laissant supposer un contact glissant. Pour 3 < Z < 5 mm le profil est parabolique (en dessous
du profil théorique) et collant à la paroi. Il y a bien sûr conservation du débit.
3
Pression non corrigee (MPa)ŁmeXV CongrŁs Fran ais de MØcanique Nancy, 3 7 Septembre 2001
Pour apprécier le glissement à la paroi sur l'axe de symétrie de la filière, nous présentons
figure 4.a les profils de vitesse (géométrie 2, X=-5 mm et Z=0 mm) pour plusieurs débit
réduits en écoulement br. II. La forme générale du profil ne change pas. On a aussi indiqué
sur la figure 4 la taille caractéristique ∆Y=0.075 mm du volume de mesure du rayon laser

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