Modelisation of a new mixing device : flows simulations, experimental validations and process optimization

L’importance de la qualité du mélange dans le domaine de la mise en œuvre des polymères et de la formulation n’est plus à démontrer. La recherche de nouveaux procédés pour améliorer l’efficacité du mélange ou de la dispersion de charges dans un polymère est donc toujours d’actualité. Ces mélanges de polymères sont généralement obtenus par un écoulement à l’état fondu (ou liquide) et les propriétés induites sont directement dépendantes de la microstructure obtenue. Les outils classiquement utilisés, comme les mélangeurs internes ou les extrudeuses, génèrent essentiellement des écoulements de cisaillement et leur efficacité est limitée alors que les outils créant des écoulements de type élongationnel sont plus efficaces au niveau des mécanismes de dispersion. C’est dans ce contexte que nous avons développé un nouveau type de mélangeur (appelé RMX) basé sur un élément convergent/divergent privilégiant la composante élongationnelle de l’écoulement. A travers une étude à la fois expérimentale et numérique, nous nous sommes attachés à caractériser les effets spécifiques des écoulements rampants de fluides newtoniens - de basse et haute viscosité - rhéofluidifiants ou viscoélastiques. Nous avons mis en place une méthode permettant de caractériser la morphologie microscopique en déterminant la taille caractéristique, la forme et l’orientation de la microstructure et en prédisant le changement local de morphologie dû aux gradients de vitesse. Ces différentes méthodes ont permis de mettre en évidence quelques éléments fondamentaux indispensables au mélange, notamment la striation des fluides dans le cas viscoélastique.The blending of two polymers has been the subject of fairly extensive studies. This topic directly concerns the polymer processing industry which is constantly looking for new methods to obtain materials with improved properties. These material are generally obtained by liquid-liquid mixing and induced properties are dependent on the microstructure whose length scale is much smaller than the one associated with the macroscopic flow. The usual mixing equipments, such as internal mixers or extruders, mainly generate shear flows and their efficiency is limited whereas tools based on elongational flows are assumed to be more efficient for dispersive mixing. In this context, we developed a new type of mixer (later called RMX) based on a convergent/divergent flow unit which favours the elongational component of the flow. In this study, physical effects create by this new mixing device will be obtained in some experiments and numerical simulations for creeping flow of Newtonian - of low and high viscosity - shear-thinning and viscoelastic fluids. To characterize the mix, we used a method which allows to determine the characteristic size, shape and orientation of the microstructure by predicting the change in the local morphological measure due to this velocity or deformation gradient. This approach, called the micromixing analysis, which treats by the use of area tensor, some local characteristic morphological measure as a field variable and can incorporate additional physics like kinetics of break-up and coalescence of droplets. These methods have highlighted some fundamental mixing elements like fluid striation in viscoelastic cases