Modélisation du chauffage de polymères par micro-ondes : approches numérique et expérimentale
L’amélioration des réactions chimiques et le chauffage des polymères sous l’effet de micro-ondes (μondes) ont attiré de plus en plus d’attention au cours des deux dernières décennies. L’utilisation des μondes pour chauffer des polymères présente des avantages potentiels par rapport au traitement conventionnel (chauffage par conduction et advection). Dans l’industrie de transformation des polymères et composites, le chauffage conventionnel, notamment par collier chauffant, est peu efficace et énergivore, car les matériaux sont peu diffusants et les temps caractéristiques en thermique sont très longs. Dans le chauffage par μondes, l’onde électromagnétique (EM) a la capacité de pénétrer et même traverser la plupart des polymères, induisant une distribution d’énergie due à la polarisation moléculaire, conduisant à un chauffage volumétrique rapide. Des études sur divers matériaux ont mis en évidence une consommation d’énergie réduite, une homogénéité des températures (moins de gradient thermique dans le matériau), conduisant à une amélioration de l’homogénéisation des propriétés des matériaux. Par ailleurs, il a été démontré que l’interaction μonde-polymère accélère les réactions de polymérisation. De ce fait, l’étude du chauffage des polymères par μondes et de ses effets sur la rhéologie des polymères et la polymérisation devient un sujet important qui pourrait notamment avoir des applications en pratique industrielle.
Dans cette étude, nous présenterons une modélisation et simulation de l’interaction microondes- polymères, par le couplage entre équation de propagation des ondes EM (équations de Maxwell) et l’équation du transfert de chaleur dans les matériaux. Toutes les propriétés thermomécaniques et thermoélectriques du matériau sont dépendantes de la température. Les propriétés diélectriques (permittivité) des polymères étant très faibles mais très sensibles à la température, une étude paramétrique permet de définir les conditions optimales de chauffage de ces matériaux ainsi que de quantifier les effets des différentes caractéristiques. La permittivité est mesurée au préalable grâce un banc expérimental utilisant la méthode de perturbation de cavité et à la définition de modèle de permittivité effective.
Afin de valider le modèle, un second banc expérimental est aussi réalisé. Il permet de mesurer les évolutions de températures sous μondes, dans des matériaux dans des conditions contrôlées. Ce banc nous fournira dans un premier temps, le socle d’une validation expérimentale d’un model numérique de couplage des équations de Maxwell avec celle d’énergie (chaleur) dans l’objectif d’une extrapolation pour des cas pratiques.
Cette étude aborde également les concepts numériques des transferts de chaleur dans les polymères sous μondes ainsi que les suivies des paramètres quantifiables dans les cas numérique et expérimental tels que la température, le coefficient de réflexion de puissance EM et l’amplitude de champ électrique.