Physique du couchage rideau

Weinstein et al. examinent les éléments de l’écoulement du procédé du couchage rideau avec une approche physique (approche mécaniques des fluides) [22]. Ils notent que certains éléments de flux sont bien étudiés et compris, tels que la couche limite le long d’une paroi mobile qui désigne la zone d’interface entre la bande et le rideau environnant lors d’un mouvement relatif entre les deux, conséquence de sa viscosité, la ligne de mouillage dynamique, etc … , alors que d’autres nécessitent encore un complément, notamment l’écoulement sur un plan incliné et le rideau liquide en chute libre. Lors du procédé du couchage rideau, un rideau stable est nécessaire, ce qui est difficilement obtenu dans diverses conditions de fonctionnement [23]. Dans la littérature, il existe de nombreux articles traitant des problèmes liés à la ligne de contact dynamique pour obtenir un film uniforme et stable sur le papier, par exemple ceux de Black et al., et Shikhmurzaev et al [24, 25].D’autres ont étudié la stabilité du rideau lui-même et ont trouvé des variables pour optimiser un dispositif de couchage rideau: à savoir la vitesse de la bande et la formulation du couchage [26]. La stabilité du rideau est un problème techniques majeur limitant l’acceptation commerciale de la coucheuse rideau. Pour comprendre les causes de ces limitations, une compréhension des opérations de base d’une machine à couchage rideau doit être atteinte. Une illustration d’une coucheuse rideau est représentée sur la (Figure 2.4). Comme le montre l’illustration, le pnnclpe d’une opération couchage rideau est l’écoulement à travers une fente, afin de produire un rideau liquide à travers la machine à papier. Le liquide sort de la fente, forme un rideau et heurte le papier en mouvement. La bande en mouvement entre en contact avec le rideau, en le tirant dans le sens de la machine à papier. Le dosage est réalisé en contrôlant l’épaisseur du rideau de revêtement. Le procédé du couchage rideau peut être divisé en trois zones distinctes (Figure 2.5):

• Zone de formation de rideau

• Zone de rideau

• Zone d’impact

La zone de formation de la feuille commence lorsque le liquide quitte la filière. La conception interne de la filière et la rhéologie du liquide sont les questions les plus importantes relatives à la performance de la coucheuse dans cette zone. Les conceptions de fentes sont sensibles à la rhéologie et à la vitesse du liquide. Par conséquent, elles doivent être conçus de manière à permettre d’obtenir un profil d’écoulement parfaitement développé et stable dans la fente en très peu de temps. Il est aussi important qu’aucune séparation d’écoulement ne se produise dans la fente. Le phénomène de la séparation du flux peut être causé par la présence des bouchons le long de la fente. Pour éviter cette séparation, un contrôle efficace de l’ouverture de la fente est nécessaire. La zone de rideau commence par le développement d’un rideau lorsque le fluide s’écoule de la filière. Dans cette zone, la stabilité du rideau résultent d’une relation complexe entre les forces d’inertie, visqueuses, de surface, d’extension, de cisaillement et de gravitation [28, 29]. Ainsi, la rhéologie et les caractéristiques de surface du revêtement jouent un rôle important. Le point de contact entre le rideau en chute libre et le substrat en mouvement et l’espace adjacent est appelée zone d’impact.

L’interaction complexe entre le substrat et le rideau est une science en développement, La présence d’air dans la couche limite, associée au mouvement du substrat rugueux, ajoute de la complexité à ces interactions. Cette complexité est dû à la présence d’une phase gazeuse dans le liquide en produisant un reflux du rideau. Une fois que l’opération de base de la coucheuse rideau est comprise, les paramètres opérationnels qui contrôlent la stabilité du rideau peuvent être examinés. Une compréhension de la physique de la formation du rideau existe depuis des décennies. En 1961, Brown [30] proposa les équations principales pour décrire le processus, Ces équations principales sont très utiles pour comprendre les principes fondamentaux régissant l’influence des interactions entre les forces de tension inertielle et superficielle sur la stabilité du rideau. Kistler [31] a montré la dépendance de la stabilité du rideau, du nombre de Reynolds (Re) (nombre qui représente le rapport entre les forces d’inertie et visqueuses et qui caractérise le régime d’écoulement), du rapport de la vitesse de la bande U, à la vitesse d’impact V, et du nombre de Weber (We) (Figure 2.6). À partir de cette figure, la fenêtre opérationnelle pour le poids de la couche, le nombre de Reynolds et les rapports UN a été définie pour leur système donné (Figure 2.7). Triantafillopoulos et al. [23] ont montré la même chose expérimentalement

Tension de surface et âge de surface

La stabilité du rideau est associée à l’augmentation de la surface spécifique de la couche du rideau [33]. La tension de surface dynamique des sauces de couchage est souvent utilisée pour évaluer la stabilité du rideau. Pour former un rideau stable à faible débit, la tension de surface doit être réduite afin de maintenir un nombre de Weber approprié (We>2). L’utilisation d’agents tensioactifs est reconnue comme une approche facile et utile pour augmenter la stabilité du rideau[34]. Cependant, un agent tensioactif tend à accroître l’effet moussant des sauces de couchage et génère souvent plus de bulles d’air provoquant des défauts de couchage dans le produit final. Les agents tensioactifs présents dans la couche peuvent également provoquer une absorption rapide des encres d’imprimerie résultant en une faible densité d’impression [33]. Un grand nombre d’agents tensioactifs d’efficacités différentes existe, ce qui rend le choix du tensioactif critique. De plus, dans tout processus dynamique l’âge de surface peut devenir important. Comme illustré à la (Figure 2.10), la tension de surface d’un rideau change avec la hauteur du rideau en raison de la variation de surface. L’âge de la surface du processus est calculé à partir du moment où le rideau sort de l’applicateur jusqu’au moment du contact avec le papier. La hauteur du rideau est donc reliée à l’âge de la surface. La variation de la tension de surface avec l’âge de la surface est considérée comme la propriété la plus importante de l’agent tensioactif. Afin de réduire la tension de surface du couchage, un agent tensioactif anionique, couramment utilisé dans l’industrie du papier, soit le NIAPROOF est utilisé [35].

Rhéologie du couchage

Les paramètres rhéologiques importants pour le bon fonctionnement d’une coucheuse rideau varient dans les 3 zones de l’écoulement décrites précédemment (répartition du flux dans la filière, la zone de formation du rideau et la zone d’impact). Étant donné que le flux est en extension, les paramètres de rhéologie extensionnels sont applicables. D’après Guyon et al. [36], les écoulements de cisaillement simple sont la superposition d’une déformation du fluide et d’une rotation (Figure 2.11a). Pour un fluide newtonien, la viscosité II est constante. Pour un fluide complexe, la viscosité peut dépendre du taux de cisaillement, du temps voire d’autres paramètres, notamment seuil de contrainte, température, etc. Un écoulement en élongation est un écoulement pour lequel le fluide ne subit aucune rotation (Figure 2.11 b). La viscosité élongationnelle ou extensionnelle est le paramètre qui quantifie la résistance du fluide à l’élongation et est notée lle. La viscosité extensionnelle est constante pour un fluide newtonien (lle =ll) alors qu’elle peut dépendre du temps et du taux d’élongation pour un fluide complexe. Plusieurs dispositifs sont utilisés pour examiner les propriétés rhéologiques des fluides en cisaillement simple et en élongation, à savoir: le rhéomètre rotatif et le rhéomètre à rupture capillaire. Les propriétés rhéologiques jouent un rôle important dans le couchage du papier. Dans le cas du couchage rideau, la stabilité du rideau, est fortement associée aux caractéristiques rhéologiques des sauces de couchage. La viscosité étant reconnue comme la propriété la plus importante du procédé, des modificateurs de rhéologie ou épaississants sont souvent utilisés pour modifier la viscoélasticité de la sauce de couchage [33].

Analyse de l’écoulement dans la cavité

Dans l’objectif d’identifier les causes de la non-uniformité du rideau pour plusieurs types de fluides et de conditions géométriques, plusieurs auteurs ont modélisé l’écoulement dans les cavités de la filière du couchage rideau. L’origine de la non-uniformité réside en la création d’un vortex ou tourbillon. La plupart des simulations numériques ont été réalisées en deux dimensions, soit 20 [40, 41] alors que l’écoulement du couchage rideau est un problème en trois dimensions, soit 3D et une analyse en 20 n’est pas entièrement suffisante pour comprendre le mécanisme de l’écoulement. Dans la littérature, peu de travaux de modélisation en 3D ont été réalisés. Certains chercheurs ont étudié l’uniformité de l’écoulement en 3D pour des filières d’extrusion [42]. Une analyse de l’écoulement par la méthode des volumes finis dans une filière de couchage avec différents fluides a été effectuée dans l’optique de modéliser l’écoulement dans la première cavité en 3D et l’écoulement dans la seconde cavité en 20 [37]. L’étude démontre l’ uti lité de la deuxième cavité pour les fluides et les conditions opératoires utilisés. Wen et Lin [43], puis Chang et al.[42] sont les premiers à prendre en compte l’effet des forces d’inertie. L’étude comprend une analyse et la simulation de l’écoulement du fluide polymère dans une filière d’extrusion avec une validation expérimentale.

Un écoulement 3D des fluides en loi de puissance avec la prise en compte de l’effet de la force d’inertie, de l’indice de puissance et de la géométrie de la cavité sur l’uniformité d’écoulement et sur la formation du vortex est étudié [30, 44]. La validation expérimentale du travail de modélisation en 3D se fonde sur une technique de visualisation de l’écoulement dans la filière d’extrusion [42]. La visualisation se concentre sur le calcul des champs de vitesse pour différents nombres de Reynolds et sur la prise et la comparaison des photos des lignes de courant. L’effet des forces d’inertie (pQ) est représenté par le nombre de Reynolds (Re = PQ). La modélisation TI et la visualisation expérimentale de l’écoulement sont en accord, Elles montrent que même pour un faible nombre de Reynolds, un tourbillon peut néanmoins apparaître à l’entrée et que la taille du vortex augmente en fonction du nombre de Reynolds (Figure 2.14). L’effet d’un comportement rhéofluidifiant sur l’uniformité de l’écoulement est étudié par Wen et al. [43], L’étude montre que l’uniformité se déstabilise avec la diminution de l’indice de la loi de puissance du fluide étudié et que le débit est maximal au niveau du centre de la filière. Les études préalables sur l’écoulement interne d’une coucheuse rideau ont permis de mettre de l’avant l’importance de la géométrie de la coucheuse (cavitation), de la rhéologie et du nombre de Reynolds sur l’écoulement interne des sauces de couchage. Les éléments précédents devront donc être pris en compte pour une étude de l’écoulement dans l’HydraSizer