Extrusion-gonflage de films de polyéthylène en mousse pour application à une géomembrane : détermination des paramètres optimaux du procédé

Les géomembranes sont de grandes bâches polymères utilisées pour isoler les sols de matières pouvant être polluantes ou pour rendre imperméable un milieu qui ne l'est pas naturellement afin de conserver des fluides précieux. Elles sont utilisées par exemple pour la fabrication de bassins de rétention sur site industriel ou minier, pour l'enfouissement des déchets et consistent donc en de très grandes surfaces. Une réduction de densité qui permettrait de maintenir ses propriétés mécaniques et barrières serait donc l'occasion de réduction importante des coûts de production et de transport. La fabrication de polymères moussés présente de nombreux intérêts par rapports aux procédés conventionnels, tout en permettant d'obtenir des produits présentant de meilleures propriétés par rapport aux polymères moussés à masse égale. Ce projet a donc pour objectif de concevoir un procédé permettant de réaliser un film de polyéthylène moussé, en collaboration avec Solmax International, chef de file québécois dans la production de solutions de confinement des fluides. La production de mousse par extrusion consiste à dissoudre un gaz dans le polymère fondu dans le fourreau de l'extrudeuse, puis la chute de pression à la sortie de la filière dé-solubilise ce gaz qui prend la forme de bulles dans le polymère. Dans le cas de la fabrication de films par extrusion-soufflage, le polymère est mis en forme dans une filière annulaire pour produire une gaine qui est ensuite étirée et gonflée pour atteindre les dimensions souhaitées pour le film. Ce mémoire présente les essais ayant permis la détermination de paramètres optimaux pour la production d'un film de polyéthylène de moyenne densité (MDPE) moussé par l'ajout d'azodicarbonamide en extrusion-soufflage. Les différents tests ont été réalisés avec une filière cylindrique (filament), une filière plate (cast-film) et une filière annulaire (soufflage de gaines). Des essais d'extrusion multicouches ont également été réalisés avec une filière de type pancake. Ce projet a permis de produire des films moussés présentant une densité de bulles jusqu'à 3.05x106 bulles/cm3 pour un diamètre moyen de 40 µm. Les paramètres clés sont le profil de température et le taux de refroidissement de l'extrudât contrôlé par les ratios d'étirement et de gonflage pour la partie soufflage de gaines. Ensuite, l'amélioration de la morphologie de mousse passe par le choix de l'agent gonflant et la détermination de sa quantité optimale. La vitesse d'extrusion est également un facteur important, et elle doit être rapide afin de permettre l'établissement d'une pression suffisamment élevée dans la filière. La dispersion de l'agent gonflant dans le polymère est un paramètre important, et peut être maximisée par la préparation de mélanges préliminaires par extrusion bi-vis. Au cours de l'étude, l'effet de l'ajout d'agents de nucléation sous forme de particules solides (talc, noir de carbone) a été testé. Il a été montré que pour le moussage chimique avec un agent gonflant contenant des charges minérales, ils sont inefficaces. D'autre part, l'amélioration des propriétés en rhéologie élongationnelle par l'ajout de polymères branchés tels que polypropylène branché (BPP) et polyéthylène de basse densité (LDPE) permet l'amélioration de la morphologie de la mousse. Une augmentation de la densité de bulles de 27% a été observée pour l'ajout de 25% en masse de LDPE.

Abstract

Geomembranes consist on large polymer sheets that provide containment solutions in order to protect the environment from waste spilling or to store precious fluids such as water and mining resources. They are proven efficient for containment structures in various applications such as the creation of artificial pools and waste landfills, or to minimize impacts of mining operations. Therefore, they cover very large areas, and a density reduction that would not affect their mechanical properties and permeability would be a great improvement in terms of cost reduction and energy saving. Foaming of polymers have numerous advantages over conventional processing, so this project aims at producing a foamed polyethylene geomembrane in film blowing extrusion, with a density reduction in the range of 10 to 20%. The project is a collaboration with Solmax International, a Quebec global leader in the production of polyethylene geomembranes. The production of polymeric foams include two main steps: dissolution of gas molecules in a polymer matrix and then generating bubbles at the die exit by depressurization. In film blowing extrusion, the polymer is shaped into a tube with an annular die, and is taken up and blown with air in order to give it its desired width and thickness. This thesis presents the different experiments that led to the establishment of optimal parameters for the production of foamed medium density polyethylene (MDPE) blown films, using azodicarbonamide as a chemical blowing agent. Tests were carried using a single-screw extruder with a cast-film die, a circular die and an annular die for film blowing. Co-extrusion of a three-layer film has also been investigated with a pancake co-extrusion die. The experiments led to the production of a foamed blown film with a cell density of 3.05x106 cells/cm3 with an average diameter of 40 µm. Key parameters of the process were the temperature profile and the cooling of the extrudate, which was controlled by the take up and blown up ratio. Then, the foam morphology could be improved by the choice of the blowing agent and its concentration. Extrusion speed was also an important factor. It had to be fast enough in order to build a high pressure into the die. The dispersion of the blowing agent in the polymer matrix could improve the morphology of the foam, and it was improved by premixing of the blowing agent using a twin-screw extruder. Nucleating agents such as talc and carbon black were tested and proven to be useless in the case of chemical foaming investigated in this work. However, the improvement of the elongation rheological properties by adding branched polymers such as low density polyethylene (LDPE) and branched polypropylene (BPP) to the medium density polyethylene was a good method for improving the foam morphology. The cell density of the foam showed a 27% improvement with the use of 25 weight percent LDPE.