Une nouvelle approche de modélisation pour prédire l’évolution du processus de liège

Aug 08, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 8002 (2022) Citer cet article

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Afin de prédire l'évolution du procédé de vulcanisation des dalles en liège-caoutchouc, une approche numérique a été développée combinant des modèles de transfert thermique par conduction et cinétiques. Un modèle unidimensionnel a été appliqué pour prédire l'évolution de la température et du degré de durcissement à différentes étapes de la vulcanisation d'un composite liège-caoutchouc. De plus, en raison de la dégradation vérifiée par le composé, un modèle de réversion existant a été ajouté au problème. Sur la base des données du rhéomètre, les paramètres de durcissement et de réversion ont été déterminés. Des données expérimentales ont été utilisées pour déterminer les propriétés thermiques du composé, en supposant une valeur constante ou en fonction de son degré de durcissement et de sa température. Les résultats obtenus par simulation ont montré une bonne correspondance avec les résultats expérimentaux, même en supposant des propriétés thermiques constantes. L'application de la méthodologie proposée fournit des informations sur les paramètres de processus optimaux pour chaque épaisseur de dalle, sans compromettre l'homogénéité et les caractéristiques du produit final, ce qui peut être un outil précieux lors des étapes de développement et de production de composites liège-caoutchouc.

Les composites liège-caoutchouc sont des matériaux élastomères composés d'une matrice de caoutchouc remplie de granulés de liège. La présence de liège contribue à l'amélioration de la reprise et à la réduction de l'écoulement latéral, du fait de son faible coefficient de Poisson, lorsque le composite est soumis à des charges de compression. Il assure également la stabilité chimique du mélange de caoutchouc. Selon le type de caoutchouc, ces composites ont une bonne résistance aux fluides, ce qui les rend adaptés à des applications telles que les joints utilisés dans l'industrie automobile ou électrique, par exemple. D'autres applications des composites liège-caoutchouc incluent l'isolation vibratoire ou acoustique, sous forme de coussinets. La fabrication des matériaux composites liège-caoutchouc est similaire à celle des autres composés de caoutchouc1,2. À une formulation de composé de caoutchouc, des granulés de liège sont ajoutés lors des étapes de mélange, ainsi que d'autres matières premières comme l'agent de vulcanisation, les activateurs de vulcanisation, les charges de renforcement, les auxiliaires de processus, les antidégradants, entre autres. Après avoir passé par un broyeur à deux cylindres pour obtenir un mélange homogène et une plaque d'épaisseur constante, le matériau est placé à l'intérieur d'un moule métallique et vulcanisé dans une presse de moulage par compression.

Le processus de vulcanisation résulte de la combinaison de deux phénomènes : le transfert thermique et la réaction de durcissement3. Cette étape est considérée comme une étape cruciale vers l’obtention des caractéristiques finales optimales d’un produit en caoutchouc. Lors de la vulcanisation, des réticulations entre chaînes polymères se créent, généralement avec libération d'énergie, transformant les propriétés du matériau4. Les propriétés physiques et mécaniques des produits en caoutchouc sont étroitement liées aux paramètres de vulcanisation, comme le rapportent d'autres auteurs5,6.

Pour contrôler l’évolution des réactions de durcissement, différentes méthodes peuvent être appliquées, notamment la calorimétrie différentielle à balayage (DSC), le rhéomètre à disque oscillant (ODR), l’analyse mécanique dynamique (DMA), le rhéomètre à filière mobile (MDR) et même l’analyse diélectrique (DEA)7. En termes de rhéologie, le module de cisaillement d’un composé de caoutchouc augmente à mesure que de nouvelles réticulations sont créées. Un test MDR fournit des informations sur l'évolution du degré de durcissement d'un échantillon de disque mince lorsqu'il est soumis à un processus isotherme, grâce à la mesure continue du couple de l'une des matrices8. La rhéologie d'un composé de caoutchouc peut également fournir des informations sur les paramètres de durcissement optimaux, comme la température et le temps de vulcanisation, car ce sont des variables influentes dans un processus de vulcanisation.

Cependant, obtenir les caractéristiques attendues des produits en caoutchouc peut s'avérer difficile, en raison de leur géométrie, des caractéristiques de leur composé et d'autres aspects du processus de fabrication. L'application d'approches de modélisation comme outil d'aide à l'optimisation de la vulcanisation du caoutchouc a été étudiée par plusieurs auteurs. De manière générale, ces travaux présentent une méthodologie combinant la guérison et le problème de chauffage, y compris des approches basées sur des modèles9,10,11 et basées sur des données12,13.