Production de fibres thermoplastiques par filage rotatif à chaud

Mots clés : Filage rotatif, microfibres, textile non tissé, fondu, conception

Les masques médicaux sont des textiles non-tissés où les fibres sont aléatoirement alignées afin de faciliter la capture des particules indésirables. Le textile non-tissé est principalement produit par soufflage à chaud pour son rendement élevé. Cependant, ce procédé s’avère énergivore car cette méthode s’appuie sur l’utilisation d’air comprimé pour l’extrusion du polymère. Il faut de plus chauffer l’air à la même température que le polymère. Dans le cas du polypropylène, polymère utilisé pour fabriquer les masques, la température de chauffage peut atteindre 322 °C [2]! Le filage rotatif a le potentiel de surmonter ces limitations.

Présentation du filage rotatif

Le filage rotatif est un procédé très similaire à celui permettant la production de barbe à papa, où la force centrifuge extrude le polymère fondu à travers de minuscules orifices pour produire des fibres de plastique. On peut produire des fibres soit en dissolvant le plastique dans une solution de solvant ou en le fondant à haute température. Cette étude s’intéresse uniquement au fondu étant donné que le produit final se retrouve sur le visage, donc on préfère une absence totale de solvant.

La production de fibres permettant la confection de tissus non tissé se produit en trois étapes. Figure 1Premièrement (Figure 1a), des granules de thermoplastiques se trouvant dans la filière, tête tournante et chauffante, fondent et sont extrudées à travers des buses grâce à la force centrifuge. Deuxièmement (Figure 1b), le polymère extrudé forme un long jet où la force centrifuge et visqueuse s’opposent, permettant au jet de s’étirer et refroidir jusqu’à devenir une fibre solide. Finalement, la fibre complètement solidifiée arrive au collecteur, qui permet de récupérer les fibres. Ce processus se produit en continu.

Intérêt derrière cette recherche

À l’exception des paramètres de production (vitesse de rotation, température de chauffage, diamètre des buses, etc.), la plupart des chercheurs fabriquent leur propre prototype, mais ne partagent pas suffisamment d’information pour permettre à d’autres la production de leur propre équipement dont les paramètres de production sont variables. Ainsi, il est difficile de reproduire les essais expérimentaux. De plus, la plupart des machines commerciales sont inadaptées pour le fondu en raison des défis de conceptions. C’est pour répondre à ces lacunes que nous avons fabriqué une machine à filage rotatif à chaud personnalisable où les instructions de fabrication sont partagées avec la communauté scientifique.

Caractéristiques de la filière scientifique

La filière scientifique à la Figure 2 a été conçue à partir d’une machine à barbe à papa commercial où la filière de base a été remplacée par celle que notre équipe de recherche a fabriqué. La force de cette machine est son niveau de personnalisation.

L’entonnoir rotatif fixé sur la filière à la Figure 2 et à la Figure 3 permet de produire des fibres en continu, mais il peut très bien être enlevé. La filière est chauffée par deux cartouches chauffantes pouvant atteindre 250 °C (Figure 2). Les pertes de chaleur sont réduites par le couvercle déposé sur le collecteur (Figure 3). Comme nous utilisons le moteur d’une machine à barbe à papa, la vitesse de rotation est limitée à 3450 rpm, donc c’est surtout avec la température de chauffage qu’un contrôle de la morphologie des fibres est obtenu. La température est lue par le capteur infrarouge qui se trouve au-dessus de la filière, comme montré à la Figure 3. Un programme PID (proportionnel, dérivé et intégral) permet de maintenir le chauffage à la température désirée durant la production.

Il existe différentes géométries de filières pour l’extrusion du polymère par filage rotatif, mais les plus populaires sont avec et sans buse. La géométrie d’extrusion avec buses, schématisée à la Figure 4a, est la plus classique. Dans cette géométrie, le polymère fondu est extrudé à travers deux petites buses utilisées dans les imprimantes 3D interchangeables. La géométrie avec buses offre un meilleur contrôle du diamètre des fibres, mais sa productibilité est faible à cause du nombre limité de buses présentes.

Dans la géométrie d’extrusion sans buse, montré à la Figure 4b, on bloque l’accès aux buses et on soulève l’entonnoir rotatif avec des rondelles pour que le fondu circule à travers la fente créée entre l’entonnoir et la filière. Le fondu est extrudé lorsqu’il atteint le bord de la filière. Cette géométrie à l’avantage d’augmenter la productivité car l’extrusion n’est plus limitée par la quantité de buses, mais il est plus difficile de contrôler le diamètre des fibres dans ce cas.

Exemple de résultats

La Figure 5 présente un exemple de fibres de PP produites avec la filière scientifique. Les paramètres optimaux n’ont pas été déterminés dans ce travail [1], parce qu’ils étaient hors du cadre de la première partie de cette recherche sur le filage rotatif.

Conclusion

Pour conclure, nous avons fabriqué une machine à filage rotatif à chaud personnalisable où il est possible de produire des fibres avec différentes géométries d’extrusion. La température peut être stabilisée grâce au capteur infrarouge. De plus, il est possible de produire des fibres en continu grâce à un entonnoir rotatif. Les futures recherches concernant ce projet seront d’analyser l’influence de l’indice de fluidité sur les fibres de polypropylène produites avec les différentes géométries d’extrusion de la filière scientifique.

Références

[1] J. Gunther et al., « A versatile hot melt centrifugal spinning apparatus for thermoplastic microfibres production », HardwareX, sept. 2023, Consulté le: 29 août 2023. [En ligne]. Disponible à: https://www.hardware-x.com/art...(23)00061-5/fulltext

[2] J. Drabek et M. Zatloukal, « Meltblown technology for production of polymeric microfibers/nanofibers: A review », Phys. Fluids, vol. 31, n^o 9, p. 091301, sept. 2019, doi: 10.1063/1.5116336.