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HAL Id: hal-02429974 https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02429974 Submitted on 7 Jan 2020 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. L’extrusion réactive, Une voie privilégiée pour la synthèse de nouveaux matériaux polymères et composites Véronique Bounor-Legaré, F. Becquart, Françoise Fenouillot To cite this version: Véronique Bounor-Legaré, F. Becquart, Françoise Fenouillot. L’extrusion réactive, Une voie privilégiée pour la synthèse de nouveaux matériaux polymères et composites. L’Actualité Chimique, Société chimique de France, 2007, pp.47-58. hal-02429974 HAL Id: hal-02429974 https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02429974 Submitted on 7 Jan 2020 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. L’extrusion réactive, Une voie privilégiée pour la synthèse de nouveaux matériaux polymères et composites F. Becquart, M. Taha, A. Zerroukhi, J. Kaczun, U. Stebani To cite this version: F. Becquart, M. Taha, A. Zerroukhi, J. Kaczun, U. Stebani. L’extrusion réactive, Une voie privilégiée pour la synthèse de nouveaux matériaux polymères et composites. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, Wiley, 2004, 42 (7), pp.1618-1629. 10.1002/pola.10943. hal-02429974 L’extrusion réactive Une voie privilégiée pour la synthèse de nouveaux matériaux polymères et composites Véronique Bounor-Legaré, Frédéric Becquart et Françoise Fenouillot Résumé Par définition, le procédé d’extrusion réactive associe le déroulement de réactions chimiques au sein d’une extrudeuse, le plus souvent à double-vis corotatives. Il offre une capacité de mélange exceptionnelle pour des fluides plus ou moins visqueux, ce qui permet de réaliser des réactions en milieu polymère fondu ou dilué tout en contrôlant des paramètres fondamentaux comme la température et le temps de réactions rapides (classiquement de l’ordre de la minute). Grâce à la grande modularité de cette technologie, il est possible de réaliser un nombre important d’actes chimiques, de la polymérisation ou copolymérisation à la compati- bilisation de mélanges, mais aussi de développer de nouveaux matériaux composites ou nanocomposites. L’association des synthèses rapides et continues à l’absence de recours à des solvants fait de l’extrusion réactive un outil priviligié dans le développement de procédés verts et plus respectueux de l’environnement. Mots-clés Polymères, copolymères, mélanges, extrusion réactive, synthèse, modification chimique, nanocomposites. Abstract Reactive extrusion: an original approach for the synthesis of new polymer and composite materials By definition, the reactive extrusion process associates the chemical reactions within an extruder, most often twin-co-rotating. It offers an exceptional mixing capacity for more or less viscous fluids, which makes it possible to carry out reactions in molten polymer media while controlling fundamental parameters such as temperature and short reaction time (conventionally of the order of a minute). Thanks to the great modularity of this technology, it is possible to carry out a large number of chemical acts from polymerization or copolymerization to blend compatibilization, but also to develop new composites or nanocomposites materials. The combination of fast and continuous synthesis with the absence of solvents makes reactive extrusion a privileged tool in the development of green processes and more respectful of the environment. Keywords Polymers, copolymers, blends, reactive extrusion, synthesis, chemical modification, nanocomposites. e procédé d’extrusion réactive assimile l’extrudeuse à un réacteur chimique de type continu et permet de combiner en une seule opération des procédés traditionnellement effectués en « batch » (système réacteur fermé discontinu) (figure 1). Il offre une capacité de mélange exceptionnelle pour des fluides visqueux, ce qui permet de réaliser des réac- tions en milieu polymère fondu. Ce procédé requiert généra- lement de hautes températures pour assurer un écoulement de la matière polymère, mais aussi des systèmes réactifs judi- cieusement choisis pour assurer une réaction chimique opti- male avec comme contrainte, mais aussi avantage, un temps de réaction court. Le plus souvent, on utilise un type d’extrudeuse particu- lier : l’extrudeuse à double-vis corotatives (ou extrudeuse bivis corotative), interpénétrées. Les vis sont modulaires, composées d’éléments de vis de différentes géométries (figure 2 haut), assemblables à façon selon les spécificités du système réactif à traiter (figure 2 bas). Ces éléments sont en général de trois types : - à pas direct pour convoyer la matière ; différents pas de vis permettent de moduler les débits et l’efficacité de mélange (figure 2a) ; - à pas inverse, créant un flux retour (figure 2b) ; - malaxeurs, permettant decréerunfortcisaillement pour,par exemple, casser des agglomérats et disperser des charges ; ces éléments sont associés en nombre avec un décalage d’angle, lequel va influencer l’efficacité de mélange dans ces éléments assemblés (figure 2c). Les éléments de vis sont en général partiellement remplis, à l’exception de la zone amont à la sortie et des zones en amont des éléments de malaxage et des éléments à pas L Figure 1 - Schéma type d’une extrudeuse bivis corotative pour créer ou modifier chimiquement un polymère (poudre ou granulés). inverse. De ce fait, les pressions ne sont pas élevées, contrai- rement à l’extrusion monovis pour laquelle l’extrudeuse est complètement remplie par la matière. L’utilisation de l’extrudeuse comme réacteur chimique a de nombreux avantages : - une excellente capacité à mélanger des systèmes réactifs homogènes et hétérogènes pouvant être fortement vis- queux ; - les polymérisations et/ou modifications chimiques peuvent être effectuées en masse en absence de solvants si le sys- tème extrudé reste en situation d’écoulement à tout instant ; - un dégazage efficace grâce au mélange permanent favori- sant une élimination optimale des résidus monomères ou des sous-produits de réactions ; - un processus rapide et continu : la matière reste dans l’extrudeuse en moyenne moins de deux minutes ; - des températures ajustables tout le long du profil ; - ce procédé permet de réaliser directement en sortie d’extru- deuse, après refroidissement de la matière, des granulés utilisables par les transformateurs des matières plastiques, lesquels mettront en forme la matière première en objet fini par des procédés complémentaires, comme par exemple l’injection. L’extrusion permet aussi de mettre la matière directement sous forme de films ou de tubes pour des appli- cations dans l’emballage et le bâtiment. Cependant, l’utilisation de l’extrudeuse comme réacteur chimique présente aussi des inconvénients, qui sont en fait les homologues des principaux avantages : - temps de séjour court de l’ordre de la minute limitant l’extru- sion réactive à certains types de réactions rapides : les réac- tions chimiques doivent être complètes à la sortie de l’extru- deuse afin d’assurer une stabilité ultérieure du système ; peu de réactions chimiques peuvent y parvenir sans catalyse ; - viscosité élevée conduisant éventuellement à une élévation de la température par auto-échauffement et menant à des réactions secondaires (dégradation thermique par exemple) ; - inertie thermique due à une régulation thermique par le fourreau qui enferme les deux vis ; - difficulté pour réaliser le « scale-up » à l’échelle industrielle en passant de l’échelle laboratoire (extrudeuses produisant de 1 à 10 kg/h) à l’extrudeuse industrielle (de 100 kg à 1 t/h). Ce procédé se présente finalement comme un outil simple et adapté aux mélanges réactifs pour la chimie des polymè- res, mais sa compréhension et sa modélisation nécessitent l’étude de systèmes évolutifs, souvent hétérogènes, associée à la prise en compte de phénomènes thermiques, rhéolo- giques et physico-chimiques. Ce procédé reste aujourd’hui très difficile à modéliser malgré l’énorme progression des moyens de calculs informatiques. Lorsqu’on s’intéresse à la littérature dédiée à l’extrusion réactive, on constate qu’un spectre très large de réactions chimiques et de systèmes polymères ont été étudiés [1-7]. Ils sont repris ici de manière très générale : - polymérisation radicalaire, anionique, cationique, par poly- condensation et par coordination de monomères ou oligo- mères pour l’obtention de polymères de hautes masses moléculaires ; - dégradation contrôlée et réticulation de polymères au moyen d’amorceurs radicalaires pour la préparation de poly- mères avec une distribution de masse moléculaire contrôlée ; - fonctionnalisation de polymères de commodités pour produire des matériaux pouvant être greffés ; - modification de polymères par greffage ou polymérisation demonomèressurlachaineprincipaled’unpolymèreexistant pour améliorer ses propriétés par l’utilisation d’amorceurs radicalaires, organiques ou inorganiques, mais également des rayonnements ionisants ; - formation de copolymères greffés par des réactions d’échanges entre fonctions réactives portées par plusieurs polymères ; - réaction de couplage impliquant un homopolymère avec un agent de couplage polyfonctionnel/charge pour la prépara- tion de matériaux à haute performance ; - réactions de réticulation dans une phase ciblée ou par inte- ractions ioniques entre phases ; - création d’une phase inorganique ou dispersion de charge dans une phase uploads/Finance/ hal1-a.pdf