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Theses Year : 2004

Volume instabilities in polystyrene and polypropylene extrusion

Etude des instabilités volumiques en extrusion de polystyrène et polypropylène

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Abstract

We experimentally investigated the helical and chaotic instabilities of two polystyrenes and a polypropylene, with two extrusion devices: a capillary rheometer and a transparent slit die fed by an extruder, where birefringence experiments and laser-Doppler velocimetry measurements are feasible. In the last case, the flow geometry consists in a reservoir, followed by a contraction and a slit. In capillary rheometry, we focused on the flow conditions influence (diameter, lenght, entry angle die, temperature...) on the helical instability onset. In birefringence experiments, we observed isochromatic fringe oscillations in the reservoir: in this unsteady regime, the main flow reaches the contraction asymmetrically. The use of a smooth entry convergent permits to postpone the defect occurrence to flow rates seven times higher than with an abrupt contraction. Moreover, we measured, on the reservoir axis, the first normal stress difference and the elongation rates in critical flow conditions, by flow birefringence and laser-Doppler velocimetry, respectively. Finite elements simulations, using a viscoelasticity model, were performed to calculate elongational stresses around the contraction, for critical flow conditions relative to instability onset.
Nous étudions expérimentalement les instabilités hélicoïdales et chaotiques, des défauts d'extrusion de polymères fondus, sur deux polystyrènes et un polypropylène à l'aide de deux dispositifs expérimentaux: un rhéomètre capillaire et une extrudeuse monovis, munie d'une filière plate à parois transparentes, permettant d'effectuer des mesures de biréfringence d'écoulement et de vélocimétrie laser-Doppler. Dans ce dernier cas, on dispose d'une géométrie d'écoulement constituée d'un réservoir, suivi d'une contraction et d'un canal d'écoulement. En rhéométrie capillaire, nous avons étudié l'influence des conditions d'écoulement (diamètre, longueur, angle d'entrée de la filière, température...) sur le déclenchement de l'instabilité hélicoïdale. Les essais de biréfringence ont permis l'observation d'oscillations transverses d'isochromes dans le réservoir: lors de ce régime instable, l'écoulement principal a lieu de façon non symétrique dans le canal. On montre également que l'utilisation de "convergent doux" permet de repousser la déstabilisation de l'écoulement d'entrée à des débits sept fois plus importants que dans le cas d'une contraction brusque. On s'attache à mesurer, sur l'axe de symétrie du réservoir, des premières différences de contraintes normales et de taux de déformation dans les conditions critiques propres à l'initiation du défaut, par biréfringence d'écoulement et vélocimétrie laser-Doppler, respectivement. Des calculs viscoélastiques de l'écoulement par éléments finis ont également permis l'estimation de la répartition des contraintes élongationnelles autour de la contraction, dans les conditions critiques d'apparition de l'instabilité.
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Dates and versions

tel-00413026 , version 1 (03-09-2009)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00413026 , version 1

Cite

Christelle Combeaud. Etude des instabilités volumiques en extrusion de polystyrène et polypropylène. Mécanique [physics.med-ph]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00413026⟩
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