Rhéologie aux interfaces et rôle de l'interphase dans les écoulements stratifiés en coextrusion

Abstract

Coextrusion technologies are commonly used to produce multilayered composite sheets or films with a large range of applications from food packaging to optics. The contrast of rheological properties between layers can lead to interfacial instabilities during flow. Important theoretical and experimental advances have been made during the last decades on the stability of compatible and incompatible polymers using a mechanical approach. However, few works were dedicated to the physicochemical affinity between the neighboring layers. The present study deals with the influence of this affinity on interfacial instabilities for functionalized incompatible polymers. Polyamide (PA6)/Polyethylene-grafted with glycidyl methacrylate (GMA) was used as a reactive system and PE/PA6 as a non reactive one. Two grades of polyamide (PA6) were used in order to enable us to change the viscosity and elasticity ratios between PE (or PE-GMA) and PA6. We have experimentally confirmed, in this case, that the weak disturbance can be predicted by considering an interphase of non-zero thickness (corresponding to interdiffusion/reaction zone) instead of a purely geometrical interface between the two reactive layers. As a first step, a generic study was led to obtain a better handle of this process with reactive multilayered materials. Rheological behavior of multilayer coextruded of cast films was investigated to probe: (i) the competition between polymer/polymer interdiffusion and interfacial reaction of functionalized polymer and (ii) the influence of various parameters in relationship with the process: temperatures, contact time, shear rate and residence time... The contribution of interface/interphase effect has been studied along with the increase of the number of layers. The results show that the variation in dynamic modulus of the multilayer system reflects both diffusion and chemical reaction. The results were rationalized by comparing the obtained data with some existing theoretical models. Finally, and in order to quantify the contribution of the effect of the interface/interphase with a specific interfacial area, an expression was developed to take into account the interphase triggered between the neighbouring layers and allowed us to estimate its thickness at a specific welding time and shear rate. As the second step, we formulate an experimental strategy to optimize the process by listing the different parameters controlling the stability of the reactive multilayer flows. The plastic films of two, three and five layers were coextruded in symmetrical and asymmetrical configurations in which PA6 is a middle layer. Indeed, for reactive multilayered system, the interfacial flow instability can be reduced or eliminated, for example, by (i) increasing the residence time or temperature in the coextrusion bloc (for T over reaction temperature) and (ii) reducing the total extrusion flow rate. Furthermore, the role of viscosity ratio, elasticity ratio, and layer depth of the stability of the interface were also investigated coupling to the physicochemical affinity. Hence, based on this analysis guide-lines for stable coextrusion of reactive functionalized polymers can be provided.Les objets multicouches mis en œuvre par les procédés de co-extrusion sont extrêmement importants pour des applications dans des domaines aussi variés que stratégiques tels que l'optique, les supports photosensibles, le biomédical et l'agroalimentaire. Pendant la transformation, le contraste important des propriétés rhéologiques entre les couches peut engendrer des instabilités interfaciales. Durant ces dernières années, des centaines de publications ont été dédiées à ces défauts. Cependant, pour les multicouches à base de polymères incompatibles où une réaction de greffage ou de réticulation se produit aux interfaces (assurant en pratique une affinité physico-chimique entre les polymères pour éviter le délaminage du produit final), peu de résultats ont été publiés. Nous avons engagé depuis trois ans dans notre laboratoire une recherche relative au procédé de co-extrusion qui consiste à enrichir l'approche classique purement mécanique par des considérations rhéologiques relatives aux propriétés de l'interphase. Dans ce travail, nous illustrons notre approche sur un système Polyéthylène greffé glycidyle méthacrylate (PE-GMA)/ Polyamide (PA6) comme système réactif (SR) et PE/PA6 comme non réactif (SNR). Deux grades de polyamides ont été utilisés pour permettre de varier les rapports de viscosités et d'élasticité par rapport aux polyéthylènes. Dans un premier temps, le comportement rhéologique à l'état fondu des multicouches a été étudié par spectrométrie mécanique dynamique et rhéologie capillaire. La compétition entre l'interdiffusion polymère/polymère et la réaction interfaciale a été évaluée. L'outil rhéologique se révélait ainsi une sonde très fine pour explorer les propriétés aux interfaces des matériaux multicouches. Les résultats expérimentaux ont été confrontés aux modèles décrivant le comportement rhéologique des systèmes multiphasiques. Les manifestations observées et les résultats trouvés ont été analysés en se basant sur les mécanismes physico-chimiques mis en jeu. En outre, la détermination expérimentale de la tension interfaciale a permis d'estimer l'épaisseur de l'interphase via des modèles thermodynamiques. Cette évaluation expérimentale a été confrontée à une étude théorique à partir d'un modèle que nous avons récemment développé et qui prend en compte l'évolution de cette interphase en fonction du temps et les différents paramètres viscoélastiques. L'épaisseur de cette même interphase est reliée à son tour aux propriétés adhésives des systèmes multicouches. Dans un second temps, l'influence de différents paramètres liés au procédé: (température, temps de contact dans le bloc de répartition, cisaillement, temps de séjour, aire interfaciale, débits et épaisseurs de chaque couche...) a été étudiée sur une machine semi industrielle de coextrusion des films .Des cartes de stabilité ont été établies en relation avec le rapport de viscosité, d'élasticité et d'épaisseur des différentes couches. L'étude expérimentale a été réalisée ainsi sur des écoulements à deux, trois ou cinq couches pour des configurations symétriques ou asymétriques. Pour les systèmes réactifs, les instabilités interfaciales sont atténuées, voire éliminées en fonction de l'interdiffusion et de la cinétique de réaction aux interfaces qui sont fonction à leur tour du temps de séjour et de la température dans le bloc de coextrusion et la filière. En revanche, les instabilités réapparaissent dans le cas des systèmes non réactifs. Enfin la présente étude montre qu'outre les facteurs classiques introduits dans l'évaluation des cartes de stabilité théoriques et expérimentales (rapport des viscosités et d'élasticité des différentes couches, la cinématique de l'écoulement (cisaillement - élongation) et l'épaisseur de chaque couche), le taux de réaction ou de compatibilisation à l'interface polymère/polymère a un rôle majeur qu'il faut prendre en considération