Introduction
Le polypropylène (PP), matière plastique polyvalente essentielle, est largement utilisé dans les secteurs de l'automobile, de l'emballage, de l'électronique, du textile et dans d'autres industries en raison de ses excellentes propriétés mécaniques, de sa stabilité chimique et de ses performances de mise en œuvre. Cependant, afin d’optimiser davantage la mise en œuvre des matériaux en PP et d’améliorer la qualité et les performances des produits, il est d’une grande importance pratique de mener des études approfondies sur le comportement rhéologique du PP.
La viscosité, indicateur essentiel du comportement d'écoulement des polymères, est étroitement liée à la mise en œuvre du matériau. Dans les différents procédés de fabrication, le PP doit s’écouler et prendre forme dans des plages de température spécifiques. Par conséquent, une compréhension précise de la façon dont la viscosité du PP varie en fonction de la température permet aux ingénieurs de contrôler avec précision les paramètres de mise en œuvre, garantissant ainsi une fluidité et une qualité de moulage optimales du PP pendant la production.
Le rhéomètre capillaire, un instrument d’ classic s pour les essais rhéologiques, est largement utilisé dans la recherche sur les polymères en raison de sa capacité à mesurer les propriétés rhéologiques des matériaux sur une large plage de vitesses de cisaillement et de températures. Dans cette étude, un rhéomètre capillaire Rosand RH10 d’ NETZSCH (figure 1) a été utilisé pour étudier de manière systématique les effets de la température et du taux de cisaillement sur la viscosité à l’état fondu et l’énergie d’activation de l’écoulement visqueux du PP. Les résultats fournis constituent une base théorique pour l’optimisation des paramètres de transformation du PP, ce qui permettra à terme d’améliorer la qualité et les performances des produits en PP.
Conditions de mesure et méthode d'essai
Les conditions de mesure sont détaillées dans le tableau 1.
Tableau 1 : Conditions de mesure
| Instrument | NETZSCH Rosand RH10 |
| Échantillons | PP |
Pression transducteur | 10 000 psi |
| Spécifications de la matrice | L = 16 mm, D = 1 mm |
| Température d'essai | 180 °C/190 °C/200 °C/210 °C/220 °C |
| Plage de vitesse de cisaillement | 10 - 10 000 s⁻¹ |
Après avoir installé les matrices sous le cylindre gauche et attendu que la température se stabilise, des granulés de PP ont été ajoutés progressivement dans le cylindre, qui a été mis sous pression à 1 MPa, puis préchauffé à température constante pendant 5 minutes. L'appareil a ensuite effectué automatiquement l'essai, en appliquant le taux de cisaillement et en enregistrant la pression.
Résultats des mesures et discussion
La figure 2 présente les courbes de viscosité de cisaillement en fonction du taux de cisaillement d'échantillons de PP à différentes températures. Comme le montre la figure 2, la viscosité de cisaillement des échantillons de PP, quelles que soient les conditions de température, diminue progressivement à mesure que le taux de cisaillement augmente, ce qui illustre un comportement typique de fluidification par cisaillement. Ce phénomène s'explique par le fait que le démêlage des chaînes macromoléculaires du PP s'intensifie à mesure que le taux de cisaillement augmente, ce qui entraîne une baisse rapide de la viscosité de cisaillement. Cependant, lorsque le taux de cisaillement augmente encore, l’efficacité de la contrainte de cisaillement pour favoriser le démêlage des macromolécules diminue, ce qui ralentit la tendance à la baisse de la viscosité de cisaillement.
De plus, la viscosité de cisaillement des échantillons de PP diminue sensiblement lorsque la température augmente, à vitesse de cisaillement constante. Cela s'explique par le fait que, à mesure que la température augmente, le volume libre de la masse fondue de PP s'accroît, ce qui améliore la mobilité des segments de chaîne et réduit la force d'interaction intermoléculaire, améliorant ainsi la fluidité du PP. Cependant, la différence entre les valeurs de viscosité de cisaillement à différentes températures diminue sensiblement lorsque le taux de cisaillement dépasse 500 s⁻¹. En particulier lorsque le taux de cisaillement est porté à 5 000 s⁻¹, les courbes de viscosité de cisaillement aux différentes températures ont tendance à se chevaucher, et la tendance à la baisse de la viscosité de cisaillement s'atténue. Cela indique qu’au-delà d’un taux de cisaillement critique, la sensibilité de la viscosité de cisaillement du PP à la température diminue, ce qui suggère un élargissement de la plage de températures de transformation du PP dans cette gamme de taux de cisaillement.
L’énergie d’activation de l’écoulement visqueux (Eη) est un indicateur de la sensibilité de la viscosité de cisaillement apparente d’une masse fondue de polymère à la température. Une valeur Eη plus élevée signifie une plus grande sensibilité de la viscosité de la masse fondue aux variations de température, tandis qu’une valeur plus faible suggère une dépendance réduite vis-à-vis de la température. Eη peut être calculée à l’aide de l’équation d’Arrhenius (1) :
où ηa est la viscosité de la masse fondue ; Eη est l'énergie d'activation de l'écoulement visqueux ; R est la constante des gaz (8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹) ; A est une constante indépendante de la température.
À partir des données mesurées présentées dans la figure 2, des graphiques représentant lgηa en fonction de 1/T ont été tracés et ajustés. Par conséquent, les courbes de relation lgηa ~ 1/T à différents taux de cisaillement sont présentées sur la figure 3, les valeurs spécifiques étant répertoriées dans le tableau 2. Comme le montre le graphique, la viscosité Eη du PP à différents taux de cisaillement peut être déterminée à partir des pentes des courbes linéaires ajustées de la figure 3, les valeurs spécifiques étant répertoriées dans le tableau 2. Eη du PP diminue à mesure que le taux de cisaillement augmente dans la plage de températures testée. Cela indique que la viscosité de cisaillement de la masse fondue de PP est moins sensible à la température à des taux de cisaillement élevés. Du point de vue de la dynamique moléculaire, ce phénomène s’explique par le fait que les forces de cisaillement externes rompent l’enchevêtrement entre les molécules de PP, réduisant ainsi la sensibilité de la viscosité de cisaillement à la température. Cela se reflète dans les courbes de viscosité (figure 2), où les courbes correspondant à différentes températures se chevauchent presque entièrement à des vitesses de cisaillement élevées. Par conséquent, l’augmentation de la température s’avère moins efficace pour réduire la viscosité de cisaillement de la masse fondue de PP à des vitesses de cisaillement élevées. En revanche, à de faibles vitesses de cisaillement, l’élévation de la température peut améliorer considérablement la fluidité du PP, réduisant ainsi la consommation d’énergie pendant la transformation.
Tableau 2 :Eη du PP à différentes vitesses de cisaillement
| Vitesse de cisaillement (s⁻¹) | 10 | 21,5 | 46,4 | 100 | 215 | 464 | 1 000 | 2 154 | 4 642 | 10 000 |
| Eη (kJ/mol) | 62,6 | 51,4 | 44,4 | 39,2 | 34,2 | 28,9 | 27,1 | 26,3 | 26,2 | 23,5 |
Conclusion
Dans cette note d'application, les propriétés rhéologiques du PP à différentes températures et vitesses de cisaillement ont été étudiées à l'aide d'un rhéomètre capillaire Rosand RH10. À des vitesses de cisaillement relativement faibles (10 à 500 s⁻¹), la viscosité de cisaillement du PP diminue de manière significative à mesure que la vitesse de cisaillement augmente, tandis qu’à des vitesses de cisaillement élevées (500 à 10 000 s⁻¹), cette diminution devient plus progressive. De plus, Eη du PP diminue à mesure que le taux de cisaillement augmente, ce qui indique que des taux de cisaillement plus élevés réduisent efficacement la sensibilité à la température de la viscosité à l’état fondu du PP.