Le cisaillement se produit lorsque deux forces s’opposent et créent de la friction et de la chaleur pendant le déplacement du matériau dans l’extrudeuse.
Comprendre le cisaillement en extrusion
En extrusion, le cisaillement se produit lorsque des couches de matériau glissent les unes contre les autres dans l’extrudeuse. La friction et la chaleur ainsi générées contribuent à façonner le produit.
Définition du cisaillement en extrusion
Le cisaillement est la force qui fait glisser les couches de matériau les unes contre les autres pendant l’extrusion. Imaginez que vous vous frottiez les mains : vos mains représentent les forces et la friction entre elles, le cisaillement.
Dans une extrudeuse, le cisaillement génère de la chaleur par friction. Cette chaleur aide à faire fondre et à mélanger le matériau lorsqu’il traverse la machine. La contrainte de cisaillement est la force par unité de surface qui provoque ce mouvement de glissement.
Comment les forces de cisaillement sont générées
L’extrudeuse génère des forces de cisaillement par la rotation de la vis contre la paroi du fourreau. Lorsque la vis tourne, elle pousse le matériau vers l’avant tandis que le fourreau reste immobile. Cela crée une friction entre les couches du matériau.
Le matériau subit également un cisaillement près de la sortie de la filière. Une vitesse de vis plus élevée augmente les forces de cisaillement, ce qui influe à la fois sur la température et sur l’écoulement du matériau.
Écoulement par cisaillement et autres types d’écoulement
L’écoulement par cisaillement implique le glissement de couches parallèles les unes aux autres. Il diffère de l’écoulement en extension, dans lequel le matériau s’étire dans une direction. En extrusion, les deux phénomènes interviennent ensemble, mais l’écoulement par cisaillement domine à l’intérieur du fourreau et de la filière.
Taux de cisaillement et rôle dans le procédé d’extrusion
Le taux de cisaillement mesure la vitesse à laquelle les couches de polymère se déplacent les unes par rapport aux autres pendant l’extrusion. Il varie selon la vitesse de la vis, la taille du canal et l’écoulement du matériau dans la filière.
Qu’est-ce que le taux de cisaillement ?
Le taux de cisaillement indique à quelle vitesse une couche de plastique fondu se déplace par rapport à la couche voisine. Il se calcule en divisant la différence de vitesse entre les couches par la distance qui les sépare. Son unité est la seconde inverse (s⁻¹).
Lorsque la vis de l’extrudeuse tourne, elle pousse le polymère dans des canaux de différentes tailles. Le passage rapide du matériau dans un petit espace crée des taux de cisaillement élevés. Le passage lent du matériau dans un espace plus large produit de faibles taux de cisaillement.
Facteurs influant sur le taux de cisaillement
Vitesse de la vis influe directement sur le taux de cisaillement. Une rotation plus rapide de la vis augmente la vitesse à laquelle les couches de polymère glissent les unes contre les autres.
La taille de l’écart compte également. Les canaux étroits entre les filets de la vis et la paroi du fourreau produisent un cisaillement supérieur à celui des espaces plus larges. L’ouverture de la filière influe aussi sur le taux de cisaillement apparent à la sortie de la filière.
Plage de taux de cisaillement dans les procédés industriels
Les extrudeuses monovis fonctionnent généralement entre 100-500 s⁻¹ pour l’extrusion de films et de profilés. Le canal de la vis près de la paroi du fourreau peut atteindre 200 s⁻¹ en fonctionnement normal.
Des taux plus élevés apparaissent en certains points. Selon le type de procédé, les sorties de filière peuvent atteindre 1,000-10,000 s⁻¹.
Maîtrise du cisaillement par la conception de l’extrudeuse
L’intensité du cisaillement dans votre procédé d’extrusion dépend de la combinaison de votre conception de vis, les températures du fourreau, et de la géométrie de la filière.
Influence de la conception de la vis sur le cisaillement
La conception de la vis est le principal facteur de maîtrise du cisaillement en extrusion. La profondeur et le pas des filets déterminent la quantité de matière poussée et mélangée. Les canaux plus profonds produisent moins de cisaillement, tandis que les canaux moins profonds l’augmentent.
L’espace entre la vis et la paroi du fourreau compte également. Un jeu plus faible accroît le cisaillement lors du passage de la matière. Certaines vis comportent des sections de mélange spéciales qui ajoutent un cisaillement contrôlé afin d’améliorer l’homogénéité. La vitesse de la vis influe aussi sur le cisaillement : une vitesse supérieure génère davantage de friction et de chaleur.
Températures du fourreau et niveaux de cisaillement
Les températures du fourreau agissent de concert avec le cisaillement pour faire fondre correctement la matière. Des températures plus basses nécessitent davantage de cisaillement pour la chauffer. Des températures plus élevées réduisent le besoin de cisaillement mécanique. Il faut trouver le bon équilibre pour faire fondre la matière de façon homogène sans la dégrader.
Géométrie de la filière d’extrusion et cisaillement
La filière d’extrusion génère elle aussi du cisaillement lorsque la matière la traverse. Une filière de plus petit diamètre augmente le taux de cisaillement. Les filières modernes à araignée produisent moins de cisaillement que les anciennes conceptions spiralées, ce qui aide à prévenir la dégradation de la matière.
Effets du cisaillement sur les propriétés des matériaux et la qualité des produits
Le cisaillement influe directement sur le comportement des polymères pendant l’extrusion, de l’écoulement de la matière fondue à la résistance et à la durabilité du produit fini.
Cisaillement, viscosité et comportement des polymères fondus
Lorsqu’un cisaillement est appliqué aux polymères, leur viscosité varie. La plupart des polymères fondus sont pseudoplastiques, c’est-à-dire que leur écoulement devient plus facile lorsque le taux de cisaillement augmente. Ce comportement aide la matière à traverser le fourreau et la filière de l’extrudeuse.
L’indice de fluidité du polymère indique sa facilité d’écoulement dans des conditions données. Des taux de cisaillement plus élevés réduisent la viscosité et accélèrent l’écoulement de la matière fondue dans l’équipement.
Fusion et écoulement induits par le cisaillement
Le cisaillement génère de la chaleur par friction entre les chaînes de polymères. Cette chaleur contribue à faire fondre les particules solides et à maintenir le polymère fondu à la température de transformation. L’énergie mécanique de la vis en rotation se transforme en énergie thermique et contribue à la fusion, en complément des chauffages du fourreau.
Dégradation des polymères et cisaillement
Un cisaillement excessif rompt les chaînes moléculaires, ce qui entraîne une dégradation du polymère. Chaque matériau a un taux de cisaillement critique à ne pas dépasser. Le dépasser réduit la masse moléculaire et affaiblit les propriétés mécaniques du produit fini.
Effets du cisaillement sur la qualité des produits
Un cisaillement maîtrisé améliore la qualité des produits en assurant un mélange homogène et des propriétés régulières. Toutefois, un cisaillement excessif endommage la structure moléculaire et réduit la résistance, la résistance aux chocs et la durabilité des produits finis.
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Questions fréquentes
Comment le cisaillement influe-t-il sur l’écoulement de la matière dans une extrudeuse ?
Le cisaillement régit le déplacement de la matière dans le fourreau de l’extrudeuse. La vis en rotation crée des couches de matière qui glissent les unes contre les autres à des vitesses différentes. Ce mouvement pousse la matière vers l’avant tout en la mélangeant et en la faisant fondre.
Quelles sont les causes de la contrainte et du taux de cisaillement pendant l’extrusion ?
La rotation de la vis contre la paroi du fourreau crée une contrainte de cisaillement dans la matière. Le taux de cisaillement mesure la vitesse relative de déplacement de ces couches. Ces deux phénomènes sont dus au passage forcé de la matière à grande vitesse dans des espaces étroits.
Comment un cisaillement élevé peut-il influer sur la hausse de température et la qualité de la matière fondue en extrusion ?
Un cisaillement élevé génère de la friction entre les couches de matière, ce qui produit de la chaleur. La température peut ainsi augmenter de plus de 100°F sans chauffage externe. Un cisaillement excessif peut surchauffer la matière, tandis qu’un cisaillement insuffisant peut empêcher sa fusion complète.
Quelle est la différence entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement en extrusion des polymères ?
La contrainte de cisaillement est la force appliquée à la matière. Le taux de cisaillement correspond à la vitesse à laquelle les couches glissent les unes contre les autres.
Comment la conception et la vitesse de la vis modifient-elles l’intensité du cisaillement ?
Des canaux de vis plus profonds réduisent le cisaillement, tandis que des canaux moins profonds l’augmentent. Une vitesse de vis plus élevée accroît le cisaillement.
Comment mesurer ou estimer les conditions de cisaillement sur une ligne d’extrusion ?
Vous pouvez calculer le taux de cisaillement à partir des dimensions de la filière, du débit et des propriétés du matériau.
