Un nouveau dispositifde type RMX pour le mélange et … · Alimentation (fondu ou liquide) ......

Rencontre Technique – Matières Plastiques4-5 octobre 2011 Hôtel de la Région Strasbourg

Un nouveau dispositif de type RMX pour le mélange et le contrôle des réactions

chimiques à l’état fondu

René MULLER

Groupe d’Intensification and d’Intrapolation des Procédés Polymères (G2IP) LIPHT EAc École Européenne de Chimie, Polymères et Matériaux (ECPM)

Université de Strasbourg


SOMMAIRE

Principe de fonctionnement

Utilisation en tant que mélangeur batch

Visualisation des écoulements et simulation numérique

Utilisation en tant que réacteur et émulsificateur

Perspectives (fonctionnement continu)


Différents types de mélangeurs (échelle labo):

Brabender (batch): W30 (30 cc) W55 (55 cc) W/N/B/S 350 (400cc)

Rheomix (batch) 600 (60 cc) and 3000 (3000 cc).

Microcompounders bi-vis (batch ou continu)MiniLab(Thermo) (7 cc) + MiniJet (machine d’injection 4 cc)Xplore (DSM) (5 et 15 cc) + Mini Injection Machine (5 et 12 cc)

Extrudeuses mono- ou bi-vis (continu)

Principaux défauts et lacunes:

Difficulté de récupérer des échantillons (étape additionnelle de moulage)

Difficulté de travailler sous atmosphère contrôlée (évaporation, ..)

Efficacité du mélange dispersif (écoulement en elongation/en cisaillement)


Tentatives pour favoriser la composante élongationnelle:

”Extensional flow mixer”

X.Q. Nguyen and L.A. Utracki, U.S. Patent, 5, 451, 106, 19 (1995)

Nombre limité de convergeants/divergeants(perte de charge totale)


Developpement d’un nouveau mélangeur/réacteur

Principe: écoulement périodique à travers un mélangeur statique

Élément de mélange statique

Importance des écoulements élongationnels (convergeant et divergeant)

Réorientation de la matière à chaque cycle

Etanchéité aux liquides et aux gaz – fonctionnement possible sous pression

P

P

Idée du multi-pass pour le mélange: brevet US (1960)


Conception de l ’élément de mélange

Critères: Alimentation des composants (y compris liquides sous pression)Moulage direct des échantillons (sans reprise de la matière) Etanchéité aux liquides et aux gazPossibilité d’associer plusieurs unités en série

Alimentation (fondu ou liquide)

Mélange

Vers le moule ou l’unité suivante

��

��


Principales caractéristiques du mélangeur élongationnel RMX

- Volume de mélange variable (5 à 100cm3) contrôlé par la position des pistons

- Commande par des vérins hydrauliques: puissance du groupe: 2kW

- Pression maxi dans les chambres: 300 bars

- Fréquence de fonctionnement typique à 100 bars: 1 cycle en 2s


Vue schématique du mélangeur

Elément de mélange(plusieurs géométries

disponibles)

Joints Téflon ou métalliques entre les pistons et les

chambres

Chambres

Moule

Unitéd’alimentation

(fondus)

Alimentation de liquides


Principe de fonctionnement


Utilisation en tant que

mélangeur batch (polymères fondus)


b: RMX (filière longue) 200 J/g

ba

a: Rheomix Haake 630 J/g

Comparison avec un mélangeur type Brabender

PS / PMMA 10/90 ηηηη(PS)/ηηηη(PMMA) ≅≅≅≅ 0,2 T=210°C

Inclusions de faible viscosité dans une matrice de haute viscosité


Dn filière longue

Dv filière longue

Dn Haake

Dv Haake

PS / PMMA 90/10 ηηηη(PMMA)/ηηηη(PS) ≅≅≅≅ 5 T=210°C

Inclusions de forte viscosité dans une matrice de faible viscosité


aa bb

Influence du nombre de cycles (filière longue)

Résultats pour des mélanges de polymères

PS / PMMA 10/90 ηηηη(PMMA)/ηηηη(PS) ≅≅≅≅ 5 T=210°C

b: 30 cyclesa: 10 cycles


Elément de mélange àfilière longue

Alimentation

Moule

Eléments de mélange

L=15 mm

D=3mmL/D=5

L=2 mm

D=2mmL/D=1

Elément de mélange àfilière courte


Dn filière longue

Dv filière longue

Dn filière courte

Dv filière courte


Influence de la géométrie de l’élément de mélange

Vitesse des pistons: 5 mm/s



Dn 20 mm/s

Dv 20 mm/s

Dn 10 mm/s

Dv 10 mm/s


Influence du débit(vitesse des pistons)

Filière longue



Visualisation des écoulements

et simulation numérique


Visualisation de l’écoulement

Chambres transparentes

Liquide fluorescent


Chambres en PMMA

Faisceau laser linéaire et vertical

Fluide identique dans les 2 chambres mais contenant de la fluorescéine d’un côté.

Glycérine fluorescente Glycérine vierge

Visualisation de l’écoulement


Ecoulement rampant (Re≅0.001); liquide newtonien viscosité élevée:


Comparaison simulation-expérience en non-newtonien


Ecoulement rampant (Re≅10-4): experience pour un fluide viscoélastique


Utilisation en tant que

réacteur et émulsificateur


1

10

100

1000

10000

100000

0.01 0.1 1 10

G' (

Pa)

w (rad/s)

PE-TEMPO G' (200°C)

Ø=4mm, v=30, n=10 Ø=4mm, v=30, n=30 Ø=4mm, v=60, n=30

Ø=2mm, v=30, n=10 Ø=2mm, v=30, n=30 REF

Dégradation contrôlée d’un PEhd en présence d’un agent de terminaison réversible


Emulsification et polymérisation de monomères

d = 60 mm d = 32 mm

Nombre de trous :

entre 1 et 30

Diamètre des trous : entre 0,2 mm et 1 mm

Elément de mélange spécifique

Dispositif pneumatique

Pression contrôléeBasses pressions (<25 bars)


• Procédure :

• Etape d’émulsification :

• Introduction des réactifs dans le mélangeur/réacteur• Mélange (environ 400 cycles) à pression imposée et à 25°C

• Etape de polymérisation :

• Montée en température à 70°C • Arrêt du mélange et transfert du milieu réactif dans l’une des chambres • Montée à 80°C � le temps de réaction dépend du type d’amorceur • Récupération du produit final • Détermination de la distribution en tailles par DDL

MMA 15% v/water

SDS 0,5 - 4 g/l

Lauroyle peroxide 2 - 6% w/MMA


0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600

Nc

Dv (

nm

)

E=1500 J/g

E=1000 J/g

E=300 J/g

E=200 J/g

∆P=10 bars (�), ∆P=15 bars (�)

Values of specific mixing energies are indicated for Nc = 100 and Nc= 500.

Volume-average drop diameter Dv as a function of the number of cycles at two different pressure drops.


0

20

40

60

80

100

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

[SDS]/[MMA] (%)

Dv (

nm

)

0

20

40

60

80

100

Co

veri

ng

rate

(%

)

Dv (�,�, solid lines), interface covered fraction (�,�, dashed lines)

10 bars (�,�) and 15 bars (�,�).

Evolution of volume-average drop diameter and interface covered fraction as a function of SDS concentration at two different pressure drops:


0

20

40

60

80

100

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

[SDS]/[MMA] (%)

Dv (

nm

)

�, solid line: 15% MMA; �, dotted line: 30% MMA; �, dashed line: 50% MMA.

Influence of concentration of monomer on the evolution of volume-average droplet diameter with SDS concentration.


0

50

100

150

200

250

0 500 1000 1500 2000 2500

Mixing Energy (J/g)

Dv (

nm

)

Ultrasonification at 20kHz and 60% amplitude (�, dashed line)

Ultraturrax at 10000 rpm (�)

RMX in standard conditions (�, solid line).

Influence of mixing energy on volume average droplet radius. Comparison between ultrasonification, Ultraturrax and RMX


Perspectives


Alimentation séquentielle de composants réactifs

Alimentation du composant 1

Transfert du composant 1

Transfert de 2 et alimentation de composants

supplémentaires

Alimentation du composant 2


Principe de fonctionnement commemélangeur/réacteur continu

Alimentation continue Qe

Débit de sortie continu Qs

Déplacement identique des pistons:

Volume de mélange total constant:

Qe= Qs


Principe de fonctionnement avec plusieurs unités en série

Connection elementConnection element

Débit entrant

Débit sortant

Pour des réactions en plusieurs étapes, injection de réactifs au niveau des éléments de connection


Alimentation par vis, moules spécifiques (mousses,…)


Merci pour votre attention!

Enseignants-Chercheurs

Michel BOUQUEYGilles BOUCHETChristophe SERRA

Ingénieur

Badi TRIKI

Thésards

Cyril LOUXJérôme RONDINInès SOUILEM

Sarath CHANDRAN

Etudiant en Master

Benjamin PACI

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