Physique de l'extrusion des pâtes – PHYSEPAT

Problématique Dans de nombreux domaines on forme des objets par extrusion. Ce procédé est par exemple utilisé pour mettre en forme les matériaux à base de polymères. Le matériau est alors fluidifié par chauffage, ce qui facilite son formage. Dans le cas des pâtes, c'est-à-dire de matériaux composés d'une phase solide en forte concentration dans une phase liquide (eau ou huile), le procédé d'extrusion est notablement différent. On utilise par exemple cette technique pour la fabrication de briques, matériaux cimentaires à haute performance, de céramiques, dans l'agro-alimentaire (formage ou remplissage de biscuits ou de pâtes), en cosmétique (gels, dentifrices, etc)... L'opération de mise en forme consiste alors à pousser à l'aide d'un piston ou d'une ou plusieurs vis un matériau généralement très « pâteux » à travers un petit orifice ou une filière censée donner une forme particulière à la section de l'objet. Cependant la forme et l'aspect de l'extrudat dépendent en fait de toute l'histoire des sollicitations que vit le matériau durant l'écoulement : - lorsqu'elle est viscoélastique la pâte peut se « gonfler » juste après la sortie (son diamètre augmente mais son débit et sa masse volumique restent constants) ; - une pâte trop fluide forme des tronçons qui s'affaissent ou tombent en goutte à goutte sous l'action de la gravité ; pour des pâtes thixotropes la longueur de ces tronçons peut augmenter lorsque le débit diminue ; - avec un matériau de très forte viscosité l'écoulement dans la filière conduit à la formation de zones mortes (voir Figure 1) et à une localisation extrême du cisaillement le long des parois qui produit des extrudats avec des surfaces diverses (lisse, rugueuse, craquelée, etc) selon la nature du matériau, la surface des outils ou la vitesse d'extrusion (voir Figure 2) ; - dans une pâte granulaire les plus gros éléments ont tendance à migrer au sein de la suspension et peuvent être bloqués au droit de singularités géométriques (réduction de section par exemple) ; cette accumulation d'éléments peut s'amplifier et à la longue diminuer la section à travers laquelle le fluide peut circuler en amont de la filière et contribuer ainsi à augmenter les efforts nécessaires à son extrusion ; - lorsque la filière est trop étroite les éléments grossiers d'une pâte granulaire peuvent former une voûte et ainsi entraîner un blocage complet de l'écoulement. La maîtrise et la compréhension de l'ensemble de ces problèmes doit permettre le contrôle de la qualité de la surface de l'extrudat, de son homogénéité et de sa forme. Pour cela, compte tenu de ce qui vient d'être dit ce sont les couplages entre le procédé et le matériau qui doivent être compris et maîtrisés. Ceci constitue l'objectif de base de ce projet, qui s'appuiera pour cela sur la mise en œuvre d'approches théoriques et d'équipements expérimentaux originaux. Etat de l'art L'extrusion des polymères constitue depuis longtemps un sujet de recherche important dans le domaine de la rhéologie [1]. On maîtrise désormais assez bien la mise en forme de ces matériaux sur la base d'une connaissance de leurs comportements rhéologiques et de simulations numériques appropriées. Par ailleurs tous les phénomènes perturbateurs susceptibles de survenir, tels que le glissement aux parois, la formation de peau de requin ou la fracturation, ont fait l'objet de nombreuses études [2], qui ont notamment bénéficié d'observations directes à l'intérieur des échantillons rendues possibles par la transparence de certains de ces matériaux. Le champ de connaissances dans le domaine de l'extrusion des pâtes minérales ou agro-alimentaires est beaucoup plus empirique et restreint [3]. Notamment les approches scientifiques de ce problème sont encore très peu nombreuses et ne peuvent s'appuyer sur des données expérimentales claires ou probantes. A notre connaissance un seul travail de recherche expérimental [4] a été consacré à l'étude des phénomènes de ségrégation au sein de pâtes non transparen