Evaluation of a tube-based constitutive equation using conventional and planar elongation flow optical rheometers

The original publication is available at http://www.springerlink.comInternational audienceThe predictions of the Marrucci and Ianniruberto model (2003) have been studied in various rheometric flows as well as a planar elongation flow using the 'optical elongational rheometer' technique proposed by Schuberth and Münstedt (Rheol Acta 47:111-119, 2008). This combination of techniques extended the range of pertinence of the model to high-extensional rates. Relevance of the identified parameters with respect to tube theory was then discussed

Modelling filled polymers mixing and rigid fibres break-up in twin-screw extruders

Dans cette thèse, nous avons voulu exploiter et étendre les outils de simulation à notre disposition pour proposer des méthodes de caractérisation et de prédiction du mélange à différentes échelles. À l'échelle locale d'écoulements macroscopiques, nous avons voulu exploiter les possibilités offertes par le logiciel de simulation 3D éléments finis XimeX® et y apporter des améliorations dans le but d'obtenir un outil d'étude du mélange distributif de particules dans un polymère par extrusion bivis. Nous avons ainsi enrichi la méthode éléments finis existante à l'aide de la bibliothèque éléments finis CimLib© du Cemef pour atteindre une plus grande précision de calcul, puis nous avons testé plusieurs méthodes de lâchers de particules afin de simuler le déplacement de charges dans la matrice polymère au cours du mélange. Nous avons ensuite appliqué quelques méthodes de caractérisations du mélange, dont une inédite, à ces lâchers de particules, et ce dans le cas de plusieurs géométries de vis. À l'échelle de la particule, on s'est intéressé aux mécanismes conduisant à la casse de fibres rigides, telles que les fibres de verre, lors du mélange avec un polymère en extrusion bivis. Nous avons choisi de faire des hypothèses assez importantes afin de simplifier ce problème extrêmement complexe et nous avons proposé une méthode de simulation de l'évolution de la distribution des longueurs de fibres le long de l'écoulement basée sur la conservation de la masse des fibres. Nous avons utilisé comme paramètres de cette simulation les résultats de calcul 1D obtenus par le logiciel Ludovic® qui repose sur des approches de type ALH. Nous avons ensuite comparé quelques résultats de calcul à des distributions de longueurs mesurées sur des échantillons prélevés le long d'une extrudeuse bivis.In this thesis, we have attempted to use and to extend previously developed simulation tools to propose characterisation and mixing prediction methods at different scales. At a local macroscopic flow scale, we attempted to use the possibilities given by the 3D finite element software XimeX® and to improve it in order to obtain a tool for mixing simulation of filled polymers in twin-screw extruders. Thus we have enriched the existing finite element method using the Cemef finite element library CimLib© in order to achieve a greater computation accuracy. Then we have tested several particle tracking methods to predict the fillers displacement into the matrix during mixing. Furthermore, we have applied several characterisation methods to these particles tracking results for different screw geometries. At the particle scale, we have focused on the mechanisms leading to rigid fibres (such as glass fibres) breakage during mixing with polymer in twin-screw extruders. We have some assumptions in order to simplify this extremely complex problem. We then have proposed a simulation method of the evolution of the fibres length distribution along the flow. This method is based on the fibres mass conservation. We have used the results of the Ludovic® software 1D computations based on lubrication theory as impute parameters for this simulation. Then we have compared some computational results to length distributions measured on experimental samples taken along a twin-screw extruder

Modélisation du mélange de polymères chargés et de la casse de fibres rigides en extrusion bivis

In this thesis, we have attempted to use and to extend previously developed simulation tools to propose characterisation and mixing prediction methods at different scales. At a local macroscopic flow scale, we attempted to use the possibilities given by the 3D finite element software XimeX® and to improve it in order to obtain a tool for mixing simulation of filled polymers in twin-screw extruders. Thus we have enriched the existing finite element method using the Cemef finite element library CimLib© in order to achieve a greater computation accuracy. Then we have tested several particle tracking methods to predict the fillers displacement into the matrix during mixing. Furthermore, we have applied several characterisation methods to these particles tracking results for different screw geometries. At the particle scale, we have focused on the mechanisms leading to rigid fibres (such as glass fibres) breakage during mixing with polymer in twin-screw extruders. We have some assumptions in order to simplify this extremely complex problem. We then have proposed a simulation method of the evolution of the fibres length distribution along the flow. This method is based on the fibres mass conservation. We have used the results of the Ludovic® software 1D computations based on lubrication theory as impute parameters for this simulation. Then we have compared some computational results to length distributions measured on experimental samples taken along a twin-screw extruder.Dans cette thèse, nous avons voulu exploiter et étendre les outils de simulation à notre disposition pour proposer des méthodes de caractérisation et de prédiction du mélange à différentes échelles. À l'échelle locale d'écoulements macroscopiques, nous avons voulu exploiter les possibilités offertes par le logiciel de simulation 3D éléments finis XimeX® et y apporter des améliorations dans le but d'obtenir un outil d'étude du mélange distributif de particules dans un polymère par extrusion bivis. Nous avons ainsi enrichi la méthode éléments finis existante à l'aide de la bibliothèque éléments finis CimLib© du Cemef pour atteindre une plus grande précision de calcul, puis nous avons testé plusieurs méthodes de lâchers de particules afin de simuler le déplacement de charges dans la matrice polymère au cours du mélange. Nous avons ensuite appliqué quelques méthodes de caractérisations du mélange, dont une inédite, à ces lâchers de particules, et ce dans le cas de plusieurs géométries de vis. À l'échelle de la particule, on s'est intéressé aux mécanismes conduisant à la casse de fibres rigides, telles que les fibres de verre, lors du mélange avec un polymère en extrusion bivis. Nous avons choisi de faire des hypothèses assez importantes afin de simplifier ce problème extrêmement complexe et nous avons proposé une méthode de simulation de l'évolution de la distribution des longueurs de fibres le long de l'écoulement basée sur la conservation de la masse des fibres. Nous avons utilisé comme paramètres de cette simulation les résultats de calcul 1D obtenus par le logiciel Ludovic® qui repose sur des approches de type ALH. Nous avons ensuite comparé quelques résultats de calcul à des distributions de longueurs mesurées sur des échantillons prélevés le long d'une extrudeuse bivis

Caractérisation du mélange distributif dans des procédés de mélange de polymères fondus

Différentes méthodes de caractérisation du mélange «lagrangien» obtenu dans les procédés de mélange de polymères à cinématiques complexes (extrusion bivis, mélangeur batch) sont comparées à l’aide d’un code éléments finis 3D instationnaire. Les performances et la pertinence de chacune de ces méthodes seront discutées puis on montrera quelles approches semi-analytiques conduisent à des modèles simplifiés de ces écoulements

Loi de comportement viscoélastique pour les polymères fondus linéaires polymoléculaires, validation rhéométrique et par mesures de champs d’écoulement

On étudie le modèle de Ianniruberto et Marrucci (2003), basé sur la théorie de la reptation et le modèle du tube incluant : «constraint release» (thermique et convectif), rétraction partielle et extensibilité finie. Ce modèle est appliqué à un polystyrène en cisaillement (rhéométrie capillaire), élongation uniaxiale (rhéomètre extensionnel) et élongation plane (mesures de champ dans une contraction) pour différentes plages de taux de déformations. On montre que le modèle est capable de rendre compte des différents résultats expérimentaux uniquement pour des valeurs irréalistes des paramètres moléculaires régissant les phénomènes de rétraction et d’extensibilité finie, des valeurs réalistes surestimant fortement la réponse en contraintes. Ces résultats sont consistants avec la théorie de Marrucci et Ianniruberto [Macromol., 37, 3934-3942, 2004] qui propose qu’un phénomène de relaxation supplémentaire (« interchain pressure effect ») régit la dynamique du diamètre du tube

On The Use Of Prototype Industrial Flows To Identify Viscoelastic Constitutive Equations For Polymer Melts

International audienceThis study is devoted to the validation and identification of viscoelastic constitutive equations for entangled polymer melts using "classical" rheometry tests and fieldwise measurements (flow induced birefringence coupled to laser Doppler velocimetry) in prototype extrusion flows equipped with a transparent die. We studied two different polymers : a linear polystyrene (presented in this paper) and a branched low density polyethylene (will be presented during the conference), and tested the pertinence of "molecular" constitutive equations to predict their behaviour in a contraction flow exhibiting high elongational rates. First, a "classical" identification was performed using linear viscoelasticity, capillary and extensional rheometry for a polystyrene and polyethylene. Models predictions were then tested in extrusion flows using velocity (gradients) and (first principal) stresses (difference) measurements. It was shown that an extra adjustment of parameters for the very fast viscoelastic modes were needed to take into account the behaviour in such "strong" flows

Modeling for time-dependant mechanical behavior of polymers close to glass transition: fundamentals and experimental validation

International audienceThe development of structural applications for polymers or for polymer based composites is now highly demanding for relevant dimensioning protocols and simulations, especially when fatigue behaviour is concerned. One specific trend in composites is to take advantage of micro-mechanics approaches. In consequence, one of the key issues, whatever the material is compounded or not, is our ability to model mechanical behaviour of polymers matrix. Very often the domain of use of such materials cover a range of temperature close to glass transition of the matrix, which allow a minimum toughening effects. So the true demand are constitutive models for polymers in their viscoelastic range over a wide range of temperatures and strain-rates

Détermination des paramètres non linéaires constitutifs de lois de comportement viscoélastique par mesures de champ dans des écoulements complexes

International audienceLes modèles de comportement issus des théories " moléculaires " permettent aujourd'hui de faire le lien entre structure moléculaire et comportement dans des écoulements rhéométriques. Cependant, ces modèles ne donnent plus les mêmes prédictions dès que l'écoulement est complexe ou fortement non-linéaire. Nous montrons à l'aide de mesures de champ de contraintes par biréfringence induite par écoulement et des mesures de champ de vitesses en utilisant la Vélocimétrie Laser Doppler, une méthode d'évaluation et d'identification de différentes lois de comportement viscoélastiques en déterminant leurs paramètres constitutifs à partir de ces dernières. Dans ce travail nous confrontons ces modèles viscoélastiques aux résultats expérimentaux obtenus avec un polystyrène industriel

A full 3D simulation for twin screw extrusion based on an immersion domain method. application to mixing elements

ANTEC (Annual Technical Conference), sponsored by the Society of Plastics Engineers, celebrated its 67th year of excellence in Chicago, Illinois. As the largest peer-reviewed technical conference serving the plastics industry, ANTEC is perfectly positioned to help the plastics specialist achieve new levels of professional development.International audienceA full 3D simulation software has been applied for characterizing the flow conditions in mixing processes (batch mixers, single and twin screw extruders, co-kneaders...). The approach is based on an immersion domain approach and uses the Finite Element Method. In the present work, we studied the flow conditions of a Carreau-Yasuda fluid in a portion of twin screw extruder, constituted by different types of conveying elements and blocks of kneading discs. The influence of geometrical parameters (staggering angle, number of tips, disc thickness...) on the flow conditions (pressure and pressure gradients, flow patterns, mixing efficiency...) has been characterized and compared to previous studies from the literature