Crystallization and heat transfer in a semi-crystalline thermoplastic polymer under pressure and high cooling rate
Cristallisation et transferts thermiques dans un polymère thermoplastique semi-cristallin en refroidissement rapide sous pression
Résumé
An accurate description of the heat transfer is essential in the simulation and optimization of processes, the quality of semicrystalline thermoplastic parts is strongly linked to the thermal history during the formatting. Reliable results require a fine knowledge of the thermophysical properties of the polymer. The objective of this work is to develop experimental devices associated with identification methods to measure the thermal properties and crystallization kinetics of polymer under the material forming conditions. A measurement protocol and the identification of thermal properties and crystallization kinetics of polypropylene by inverse methods under low pressure and low cooling rate has been developed in a first study. Then, a new PvT device running up to 400 ° C and 200 MPa has been designed and experimentally validated. The thermal conductivity and the crystallization kinetics were measured under high cooling rate and high pressure. A luminance sensor combining an optical fiber and a photodetector has been set up on a device of the laboratory in order to measure the surface temperature of a polypropylene and thus to identify its crystallization kinetics under high cooling rate. The sensor has been experimentally calibrated and validated. The last part deals with the thermoplastic injection process by presenting a methodology for identifying the kinetics of crystallization from the pressure measurement.
Une description précise des transferts de chaleurs est indispensable dans la simulation et l'optimisation de procédés, la qualité des pièces thermoplastiques semi-cristallines étant fortement liée à l'histoire thermique pendant la mise en forme. Cela requiert de connaître précisément les propriétés thermophysiques du polymère pour obtenir des résultats fiables. L'objectif de ce travail est de développer des dispositifs expérimentaux associés à des méthodes d'identifications afin de mesurer les propriétés thermiques et la cinétique de cristallisation du polymère dans les conditions de mise en œuvre. Une première étude expérimentale a permis de mettre au point un protocole de mesure et d'identification des propriétés thermiques ainsi que la cinétique de cristallisation de polypropylène par méthodes inverses sous faible pression et à faible vitesse de refroidissement. En parallèle, un nouvel appareil PvT fonctionnant jusqu'à 400°C et 200 MPa a été conçu et validé expérimentalement. La conductivité thermique et la cinétique de cristallisation ont été mesurées sous forte vitesse de refroidissement et sous forte pression. Un capteur de luminance combinant une fibre optique et un photodétecteur a été installé sur un banc expérimental du laboratoire pour mesurer la température de surface d'un polypropylène et ainsi identifier sa cinétique de cristallisation en refroidissement très rapide. Le capteur a ainsi été calibré et validées expérimentalement. La dernière partie traite du procédé d'injection thermoplastique en présentant une méthodologie d'identification de la cinétique de cristallisation à partir de la mesure de pression.