2029 mod 1

C.F.P

Concevoir un produit injecté

Connaissance des matières plastiques

Référence stage : 2029

(C)entre de (F)ormation de la (P)lasturgie 39, rue de la Cité – 69441 LYON CEDEX 03 Tél : 04.72.68.28.28 – Fax : 04.72.36.00.80 E-Mail : plast@cfp- lyon.com

C.F.P CONCEVOIR UN PRODUIT INJECTE

Module N° 2029

© Centre de Formation de la Plasturgie


Module N° 2029

© Centre de Formation de la Plasturgie

SOMMAIRE

I. HISTOIRE ET DEVELOPPEMENT DES MATIERES PLASTIQUES ..........................4

II. LES PRINCIPAUX DOMAINES D’UTILISATION DES MATIERES PLASTIQUES.............................................................................................................................23

III. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DES MATIERES PLASTIQUES ................30

IV. NOTIONS DE CHIMIE......................................................................................................32

V. ORIGINE ET COMPOSITION DES MATIERES PLASTIQUES................................62

VI. LES MATIERES THERMOPLASTIQUES / THERMODUR-CISSABLES .............73

VII. LES FAMILLES DE THERMOPLASTIQUES ............................................................85

VIII. LES FAMILLES DE THERMODURCISSABLES.....................................................85

IX. METHODES DE CARACTERISATION DES MATIERES PLASTIQUES.............85


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I. HISTOIRE ET DEVELOPPEMENT DES MATIERES PLASTIQUES

A. HISTOIRE DES MATIERES PLASTIQUES

1870 Née à partir du camphre et de la cellulose, la première matière plastique est le fruit de l’invention des frères Hyatt, qui, à l’occasion d’un concours, cherchaient un substitut à l’ivoire dans la fabrication des boules de billard. Ainsi est née aux USA la première matière connue sous le nom de Celluloïd (nitrate de cellulose). 1884 Apparition du premier fil artificiel en acétate de cellulose obtenue par l’action de l’acide acétique sur la cellulose. 1889 Naissance de la Galalithe obtenue par l’action de l’aldéhyde formique sur la caséine du lait.

1. XX ème siècle : développement de la chimie de synthèse...

C’est en effet au cours de la première moitié du XXème siècle que sont découvertes notamment par les grands laboratoires américains et allemands les grands “thermoplastiques” : polychlorure de vinyle, polystyrène, polyéthylène, polyamide... mais aussi des produits comme le polymétacrylate de méthyle (plexiglas). Depuis la dernière guerre, la recherche s’est élargie à d’autres pays, qui avec de nouvelles découvertes (les silicones, polyesters, polyfluors, ABS, polyuréthannes, polystyrènes expansés, polyacétal, polypropylène, polycarbonates......) ont peu à peu épuisé le champ des synthèses exploitables économiquement. Mais la recherche est loin de s’être arrêtée : le prix Nobel décerné récemment à Pierre-Gilles de GENNES est là pour en attester.



2. ...Et apparition des composites et des complexes

En effet, d’autres produits prennent peu à peu dans les programmes de recherche la relève des plastiques utilisés de façon homogène : les composites et les complexes. Il s’agit d’une matrice plastique associée à des fibres qui la chargent et la renforcent pour les “composites”, et pour les “complexes” il s’agit de plastiques de natures différentes assemblés entre eux ou avec d’autres matériaux (papier, aluminium par exemple pour constituer un emballage).. Toutes ces combinaisons de constituants hétérogènes procurent aux composites et complexes des propriétés remarquables et spécifiques que ne possèdent pas à eux seuls les constituants de base. Ceci explique leur succès et leur développement



FAMILLE Première

marque ou désignation

INVENTEUR Année de lancement

Première firme productrice

PAYS D'ORIGINE

NITRATE DE CELLULOSE

Celluloïd Frères HYATT 1870 ALBANY DENTAL PLATE

U.S.A.

GALALITHE 1889 ALLEMAGNE

ACETATE DE CELLULOSE

1905 BAYER ALLEMAGNE

PHENOPLASTE Bakélite BACKELAND 1909 GENERAL BACKELITE

U.S.A.

CELLULOSE régénérée Cellulose BRANDEN-BERGER

1915 La CELLOPHANE FRANCE

ALKYDE 1926 GENERAL ELECTRIC

U.S.A.

POLYMETHACRYLA TE de METHYLE

Plexiglas WULFF 1927 ROHM et HASS ALLEMAGNE

AMINOPLASTE Pollopas POLLAK 1928 U.S.A. POLYSTYRENE STAUDINGER 1930 I.G. FARBEN ALLEMAGNE POLYVINYLE OSTROMY-

SLENSKY et KLATTE

1931 I.G.FARBEN ALLEMAGNE

POLYETHYLENE Basse densité Haute

densité

1937 I.C.I. GRANDE BRETAGNE

POLYVINYLIDENE Saran 1940 DOW U.S.A. POLYAMIDE 6 Nylon CAROTHERS 1941 DUPONT DE

NEMOURS

U.S.A.

SILICONE 1941 GENERAL ELECTRIC

U.S.A.

POLYESTER (Résines) 1942 PITTSAURGH GLASS

U.S.A.

POLYFLUORE Téflon 1943 DUPONT DE NEMOURS

U.S.A.

A.B.S DALY 1946 U.S.A. POLYAMIDE 11 Rilsan ZELNER et

GENAS 1946 ORGANICO FRANCE



FAMILLE Première

marque ou désignation

INVENTEUR

Année de lancement

Première firme productrice

PAYS D'ORIGINE

EPOXYDE Araldite CASTAN 1947 CIBA SUISSE POLYURETHANE

Moltopren Otto BAYER

1950 BAYER R.F.A.

POLYSTYRENE expansé

Styropor 1951 BASF R.F.A.

ACETAL Delrin 1953 DUPONT DE NEMOURS

U.S.A.

POLYETHYLENE HD

Haute densité Basse densité

ZIEGLER 1955 HOECHST R.F.A

POLYPROPY-LENE

NATTA 1957 MONTECATINI

ITALIE

POLYCARBO-NATE

Makrolon

1957 BAYER G. ELECTRIC

R.F.A.

POLYPHENYLENE

Noryl HAY 1964 GENERAL ELECTRIC

U.S.A.

POLYAMIDE 1964 DUPONT DE NEMOURS

U.S.A.

POLYSULFONE 1965 UNION CARBIDE

U.S.A.

POLYMETHYL-PENTENE

TPX 1965 ICI GRANDE BRETAGNE

IONOMERE Surlyn 1965 DUPONT DE

NEMOURS U.S.A.



B. POSITIONNEMENT DES DIFFERENTS PLASTIQUES SUR LEUR COURBE DE CYCLE DE VIE



C. L’INDUSTRIE DE LA PLASTURGIE EST LE FRUIT DE CES DECOUVERTES

La découverte des matériaux plastiques et leurs possibilités de mise au point de produits originaux ont provoqué l’éclosion de techniques spécifiques de transformation. Parmi la bonne vingtaine de procédés de transformation existant aujourd’hui, citons : l L’injection : par moulage sous pression d’un polymère ramolli par la chaleur, on forme des objets de dimensions et de tailles variées. l L’extrusion : par passage du polymère fondu dans une filière on fabrique des produits continus pleins ou creux (plaques, profilés, tubes...) l L’extrusion gonflage : une gaine formée par extrusion est dilatée à l’air comprimé (films et sacs d’emballage...) l L’extrusion soufflage : la matière extrudée en tube discontinu est reprise et soufflée contre les parois d’un moule (corps creux) l L’enduction : une résine thermoplastique à l’état pâteux est déposée sur un support continu (tissu, papier..) puis passée au four. (protection de revêtement sol, mur...) l Le rotomoulage : la centrifugation d’une poudre fine thermoplastique en moule clos permet d’obtenir des corps creux en petites séries (réservoirs, kayaks...) l L’expansion : le moussage des polystyrènes ou des polyuréthannes sert à fabriquer des produits alvéolaires (isolants, blocs à découper pour l’ameublement....) l La compression : permet de réaliser des petits et moyens objets en thermodurcissables (isolants thermiques et électriques...)


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Le thermoformage : un produit plan thermoplastique ramolli à la chaleur est embouti sur une forme (pots, coques...) Complétant ces différents procédés, il existe des techniques d’assemblage de produits semi-finis. Par exemple, la chaudronnerie qui permet par soudure ou collage l’assemblage d’éléments (stockage, transports de fluides..) et environ une quinzaine de procédés de fabrication des composites : moulage basse pression, ou par compression, ou par injection, ou par Pultrusion...

D. LA PLASTURGIE FRANÇAISE EN CHIFFRES

23 techniques de transformation

Moulage par injection

24%

Extrusion de film21%

Extrusion de feuilles

6%Soufflage

corps creux15%

Extrusion de tuyaux

8%

Autres procédés

26%



E. LES CHIFFRES CLES…

Répartition de la production par secteur

Emballages38%

BTP24%

Transport13%

Electri/Electro7%

Sports et loisirs5%

Ameublement4%

Médical1%

Autres8%



215000

8791238238

23163 20431 15025

U.S

.A.

Japo

n

Alle

mag

ne

Fra

nce

GB

Italie

La France 4ème au plan international



F. REPARTITION DES EFFECTIFS PAR REGIONS Statistiques 2002

Bretagne166

7130

Basse

10834582

de Loire289

14704

Centre

24911662

Bourgogne117

5715

Champagne

874184

Lorraine1495747 Alsace152

8643

Franche

1908646

Rhône-Alpes901

28986

Auvergne174

6281Limousin

41962

CharentesPoitou

1093158

1369132 Ile

4689473

Picardie165

11074

Nord212

9846

Provence

2064134

Languedoc

1212239

Midi-Pyrénées118

3234

Aquitaine1524324

Normandie

Pays

Côte d'AzurAlpes

Corse6

68

Comté

Ardennes

de France

HauteNormandie

RégionEtablissements

Effectifs

Roussillon



G. POSITIONNEMENT AU PLAN INTERNATIONAL Chiffres clés 2000

La France 4ème au plan international

020406080

100120

USA 99

,24

Japo

n 67,3

8

Allemag

ne 38

,26

Franc

e 21,6

5

GB 18,75

Billion €



H. PLASTURGIE ET ENVIRONNEMENT Les plastiques sont en partie victimes dans l’esprit du public de leur succès notamment dans les emballages, de leur imputrescibilité ainsi que du comportement de certains consommateurs peu respectueux de la nature. Cependant les études récentes (éco-bilan) permettent de ramener les critiques à leur juste valeur : Ainsi, selon une étude menée en 1990 on découvre que les matières plastiques n’utilisent que 4% du pétrole commercialisé en Europe occidentale et ne représentent que 7% du tonnage des ordures ménagères. Quelques exemples chiffrés permettent de mieux appréhender l’impact des matières plastiques sur l’environnement : La transformation des matières plastiques est plus économe d’énergie que celle des matériaux avec lesquels elles sont souvent en compétition. Ainsi la substitution de la matière plastique au papier dans la fabrication de sacs “sortie de caisses” utilisés dans les supermarchés, permet une économie de 32% de l’énergie de transformation. Cette économie atteint 56,5% quand on remplace le verre par la matière plastique dans la fabrication des bouteilles. L’allégement des emballages est source d’économie sensible de carburants dans les transports. Ainsi un camion transportant de l’eau minérale en bouteille consomme 39% de carburant en moins si le verre est remplacé par la matière plastique. L’utilisation des matières plastiques dans l’automobile ou dans le bâtiment est génératrice également d’économies. On estime que chaque Kg d’équivalent pétrole utilisé pour la fabrication des matériaux d’isolation apporte sur la durée de vie d’un bâtiment une économie de combustible pour le chauffage de l’ordre de 75 kg.



On pourrait multiplier à l’infini les exemples de contribution positive des matières plastiques à la satisfaction des besoins de l’homme. Mais cela ne ferait pas oublier qu’aujourd’hui un emballage sur deux est en matières plastiques et que leur pollution visuelle va bien au-delà des 7% que les plastiques représentent dans les déchets ménagers. Très consciente de ce bilan, l’industrie européenne des plastiques s’est engagée depuis plusieurs années dans une politique globale des déchets. Parmi les solutions envisagées elle a donné priorité à la réduction de la consommation des matières premières et à la réutilisation des déchets.

I. REDUCTION A LA SOURCE ET REUTILISATION

Au cours des 20 dernières années les progrès des industries plastiques ont abouti à des réductions significatives de poids. En 20 ans le poids d’un sac de sortie de caisse s’est réduit de 70% ceux d’un pot de yaourt ou d’un adoucissant de 45%. Mais cet allégement trouve sa limite lorsque le produit (d’emballage notamment) ne peut plus remplir la fonction pour laquelle il a été conçu. D’où la nécessité de mettre en place une véritable politique industrielle de recyclage des matières plastiques.

1. Valorisation chimique

Différentes techniques permettent de décomposer les molécules constituant les polymères en matières utilisables à nouveau (pyrolyse, hydrocraquage, gazéification, chimiolyse...). Ces solutions de prime abord séduisantes sont en fait peu développées pour des raisons techniques et économiques.



2. Valorisation énergétique

Les bilans écologiques démontrent que pour de nombreux déchets plastiques, l’incinération avec récupération d’énergie est plus satisfaisante pour l’environnement et le recyclage. En effet, avec un pouvoir calorifique équivalent à celui du charbon la présence de matières plastiques est essentielle à la bonne combustion des ordures ménagères. De nombreuses réalisations européennes d’incinérateurs propres à la récupération d’énergie montrent la validité économique et écologique de cette solution. (Source : Economie Géographique 1994)

J. DEVELOPPEMENT ECONOMIQUE DES MATIERES PLASTIQUES

1. Une demande mondiale en forte croissance

En l’espace de deux décennies seulement, de 1970 à 1990, la production mondiale de matières plastiques a plus que triplé : de quelques 28 millions de tonnes en 1970 elle est passée à environ 88 millions de tonnes en 1990 et selon les statistiques de l’IPAD (International Plastics Association Directors) la production de 1993 se situe aux alentours de 100 millions de tonnes. En 1993 l’industrie des matières plastiques a connu un recul historique, et plus particulièrement en Europe. Dès la fin 1993 on assiste au changement de cap : la demande mondiale a en effet été fortement influencée par la nette reprise de l’activité. Le secteur automobile -grand consommateur de matières plastiques- a retrouvé le chemin de la croissance, tout comme le secteur du bâtiment qui consomme environ un quart de toutes les matières plastiques produites. Ainsi, en 1994 la production des matières plastiques a donc connu une augmentation de plus de 10%, et d’après des études menées par les instituts d’études de marchés américains, la demande mondiale de matières plastiques augmentera dans les années à venir.



On prévoit pour les thermoplastiques ainsi que pour les résines thermodurcissables un taux de croissance exceptionnel de 3,9% jusqu’en 1997. D’autre part, l’arrivée de nouveaux polymères aux performances améliorées devraient encore renforcer la percée de ces matériaux. Les progrès faits au niveau des machines concourent également à cette tendance. Les nouvelles solutions et technologies employées permettent actuellement de produire des demi-produits ou des produits finis avec moins de matières premières et d’énergie, tout en maintenant le même niveau de qualité.



18,52 20,43 21,65 24,39

1997 1998 1999 2000

Progression du CA des entreprises de 20 salariés et + (milliards d'€)

142500 144500149000

160000

1997 1998 1999 2000

Progression des effectifs



K. LES ENJEUX DE LA PLASTURGIE Après les années 60-70 du “produire plus” (les industriels devaient accroître de façon constante l’équipement et maintenir une flexibilité des capacités de production pour faire face à la demande) et les années 80 du “produire mieux” (d’importants efforts ont été réalisés conjointement dans la diversification des moyens et des procédés et l’intégration de nouveaux périphériques - CFAO, CAO....), les années 90 sont marquées par la nécessité d’une intégration croissante dans la logique client passant, à prix constants voire réduits, par : l’amélioration de la qualité et le développement des niveaux de services (R&D, délais, systèmes d’information. juste à temps,...). Cette évolution conduit à une recherche constante de l’accroissement de la valeur ajoutée : le modèle de sous-traitance évolue vers le partenariat, la livraison d’un produit unique vers celle d’une fonction complète, la fabrication de pièces vers la fourniture d’un environnement de services (qualité. développement, logistique,...).

Les facteurs clés de succès des entreprises du secteur passent aujourd’hui par la maîtrise de l’ensemble des fonctions associées au process (matière, moule, main d’œuvre, machines, matière grise, marché) et la capacité de les intégrer dans l’organisation globale de l’entreprise (management).

En d’autres termes, l’alignement de l’activité de transformation des matières plastiques sur les exigences du métier implique un enrichissement croissant des fonctions de production par des fonctions de conception ainsi que la prise en compte (voire l’intégration) de métiers connexes et s’accompagne parallèlement d’une concentration et d’une spécialisation des relations avec les donneurs d’ordres (élévation du ticket d’entrée, voire de maintien). En outre, les relations entre donneurs d’ordres et sous-traitants se concentrent et se spécialisent : spécialisation des transformateurs par produit ou ligne de produit, transfert de fonctions à valeur ajoutée.



Ce mouvement de concentration spécialisation s’accompagne d’une mobilité croissante de l’offre et de la demande accompagnée de la relocalisation (ou la délocalisation) de fonctions de production : l Les donneurs d’ordres étendent leurs stratégies d’approvisionnement et de sous-traitance à l’ensemble de l’Europe soit dans le cadre du développement de leurs activités export (conquête de nouveaux marchés) soit ; ou parallèlement, dans le cadre d’un reenginering européen de leurs activités de production et de distribution (optimisation de l’organisation de la chaîne industrielle à l’échelle du continent en fonction des flux de consommation et des coûts de production). Ces mouvements conduisent à une mise en concurrence plus large des sous-traitants à l’échelle de l’Europe (rendue possible par la diffusion des technologies et des savoir-faire et la standardisation des process). l La concentration des relations donneurs d’ordres/sous-traitants amplifie la mobilité nationale et internationale des sites de production en encourageant la création de réseaux de sous-traitants à proximité des donneurs d’ordres (voire à leur accompagnement dans la réorganisation de leurs activités industrielles). Cette évolution du contexte (à la fois conjoncturelle et structurelle) implique de faire rapidement face à de nouveaux enjeux pour les professionnels de la Plasturgie. l L’adaptation des performances des entreprises aux nouvelles exigences des donneurs d’ordres passent par la définition de nouveaux modèles d’organisation et l’acquisition de nouveaux savoir-faire et compétences ce qui se traduit par des investissements élevés (immatériels, autant, sinon plus, que matériels).

l L’évolution des qualifications au sein des entreprises devient un enjeu crucial pour accompagner le développement de ces nouveaux modèles. La capacité des salariés à suivre ces évolutions et la mise en place d’actions d’accompagnement volontaristes sont des conditions incontournables du maintien des actuels salariés dans les entreprises.



l Un grand nombre d’améliorations doivent être réalisées afin d’améliorer l’efficacité des organisations et de leur fonctionnement notamment dans les domaines suivants : Ø qualité : lancement de procédures de certification ISO 9000. Ø acquisition de nouveaux outils de production et de gestion (CAO, GPAO... ), Ø organisation ou développement de compétences dans le domaine des études ou des méthodes Ø reprise des investissements recentrés sur des nouvelles technologies de production ou des systèmes d’automatisation Ø actions commerciales : se rapprocher des clients, trouver de nouveaux donneurs d’ordres (en particulier à l’export). Ø alliances ou rapprochements : atteindre une masse critique, se rapprocher (relocalisation des investissements) ou améliorer ses conditions d’approvisionnement vis à vis des donneurs d’ordres (logistique, gestion des flux,...)


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II. LES PRINCIPAUX DOMAINES D’UTILISATION DES MATIERES PLASTIQUES

A. TRANSPORT

NEZ AVANT DE TGV

CMP - Img. 0016

B. AGRICULTURE

SERRES EN FILMS PE

CMP – Img. 0056



C. INDUSTRIE

PIECES TECHNIQUES EN PA OU POM

CMP – Img. 0067

D. ELECTRONIQUE

COMPOSANTS ELECTRONIQUES ENROBES DE

RESINE



E. ELECTROTECHNIQUE

GAINAGE POUR FIBRES OPTIQUES

CPT – Img 0070

F. BATIMENT

PROFILES MURAUX EN PVC



G. BUREAUTIQUE

CARTER DE MACHINE

TMT – Img 0009

H. COMMUNICATION

COMBINES DE TELEPHONE

CMP - Img. 0007



I. AERONAUTIQUE

PIECES POUR LE MIRAGE

CMP - Img. 0017

J. AEROSPATIALE

PIECES POUR LE SATELLITE



K. AUTOMOBILE

PIECES INTERIEUR ET EXTERIEUR POUR L’AUTOMOBILE

CMP - Img. 0014

L. MEDICAL

ENVELOPPE DE REIN ARTIFICIEL

CMP - Img. 0010



M. LOISIRS

PLANCHES DE SKI

CMP - Img. 0011

N. EMBALLAGE, CONDITIONNEMENT

CONDITIONNEMENT DE LAITAGES EN PS

CMP - Img. 0023


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III. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DES MATIERES PLASTIQUES

A. AVANTAGES

Ø Légèreté ( densité 0,86 à 2,2 ) Gain de 200 à 300kg pour une voiture. ØAspect Excellent design. ØInaltérabilité Tenue aux agents extérieurs. ØTenue chimique Utilisé pour stocker des produits dangereux. ØImperméabilité Utilisé pour les bouteilles d’eau pétillantes. ØTenue à l’humidité Les plastiques ne rouillent pas. ØTenue à l’usure Résistance aux efforts répétés. ØBiocompatibilité Utilisé comme prothèse. avec les tissus humain. ØPossibilité de conception et de moulage Formes complexes possibles ØIntégration de fonctions Remplacement de pièces métalliques. ØMise en œuvre économique Fabrication à haute cadences possible Ø Isolation: Thermique ( mousse ) Electrique Acoustique


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CMP – Img 004

B. INCONVENIENTS ØTenue au feu Inflammabilité. ØTenue à la chaleur et aux variations de températures Instabilité des objets : Formes, dimensions, méca.. ØTenue à l’action du soleil et aux Intempéries Vieillissement. ØPollution Les matières biodégradables sont rares. ØToxicité Pendant la transformation. ØRésistance mécanique Faible tenue à la rayure, flexion, aux chocs. ØRetrait. Problèmes d’instabilité dimensionnelle.

ØElectricité statique


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IV. NOTIONS DE CHIMIE Pour comprendre comment une matière plastique est transformée, c'est à dire comment on l'amène de l'état solide à l'état fondu et comment on la met en forme, il est nécessaire de connaître sa structure. A cet effet, partons de l'élément le plus petit constituant la matière :

l'atome A. LES ATOMES

1. Structure

Un atome comprend des électrons de charge électrique négative qui gravitent autour d'un noyau lui-même constitué de protons de charges positives et de neutrons de charges neutres.

Atome 1


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Les électrons se répartissent sur différentes couches. Il y a autant d'électrons que de protons dans un atome. Aussi celui-ci est-il électriquement neutre. La quantité d'électrons (ou de protons) contenue dans un atome caractérise son espèce et par conséquent détermine son nom :

Atome 2

Nous ne citons ici que les 8 éléments principaux intervenant dans la structure des matières plastiques.


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2. Les liaisons inter atomiques

C'est la mise en commun d'électrons entre plusieurs atomes :

Molécule 1

Il se crée des liaisons dites covalentes. La combinaison de plusieurs atomes donne naissance à des

MOLECULES.

B. LES MOLECULES De nombreux éléments tels que l'oxygène existent à l'état naturel sous forme moléculaire c'est à dire avec au moins deux atomes liés entre eux par des liaisons covalentes.


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Exemples de molécules :

Molécule 2

Dans cet exemple, nous avons montré des liaisons simples. Il existe des molécules avec des doubles liaisons et des triples liaisons entre deux atomes si leur valence le permet :


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Molécule 3

C. LES POLYMERES

Les polymères sont constitués d'une succession de motifs monomères tels que l'éthylène, le propylène ou le chlorure de vinyle. Ces motifs sont reliés entre eux par des liaisons chimiques covalentes. La réaction chimique permettant d'obtenir un polymère est la polymérisation. Polymérisation Monomère + Monomère -----------------------------> Polymère


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1. La polymérisation par addition

Mécanisme: ouverture de la double liaison. Il est possible de simplifier en imaginant un motif de monomère sous forme de perle. La polymérisation serait l'assemblage de perles (motif monomère) les uns derrière les autres pour constituer un collier de perles. Mécanisme de la polymérisation :

Monomère : ...............................................................molécule activée : Propagation et Terminaison :

Polymérisation 1


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Polymérisation 2

Exemples : Polypropylène CH2 = CH » - CH2- CH -

CH3 CH3

Polystyrène CH2 = CH » - CH2 - CH - C6H6 C6H6 Chlorure de Vinyle CH2 = CH » - CH2 - CH – Cl Cl

La polymérisation par addition ne donne que des thermoplastiques. Il existe 4 grands types de polymérisation : En masse, en solution, en suspension, en émulsion


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2. La polymérisation par condensation

Notion de fonction chimique: c'est un assemblage particulier entre quelques atomes. Par exemple, la fonction alcool qui est symbolisée par une liaison oxygène-hydrogène (-O-H).

C CH

OH

HHH

H

Molécule d'éthanol

Mécanisme: c'est une réaction chimique entre deux fonctions réactives l'une par rapport à l'autre. ( fonction acide et fonction amine )

Polycondensation 1


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On constate l'élimination de molécules d'eau pendant la condensation et la création d'une fonction NH-CO. Cette fonction chimique est appelée

fonction "AMIDE". Comme il y a plusieurs fonctions amides qui se créent, nous pouvons parler de POLYAMIDES.

Exemples : formation du PA 66 à partir de : - l’hexaméthylènediamine H2N - ( CH2)6 - NH2 - l’acide adipique HOOC - ( CH2 )4 - COOH [ - NH- ( CH2 )6 - NH - C=O – ( CH2)4 - C=O -] n

Mécanisme de polycondensation : Molécule à 2 fonctions alcool : ..... Molécule à 2 fonctions acide : Exemples : GLYCEROL ... ACIDE TEREPHTALIQUE

Polycondensation 2


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Ce type de polymérisation par polycondensation donne naissance à des polymères dont le nom est directement issu de la fonction chimique créée par réaction des deux fonctions initiales. Citons, par exemple : les POLYESTERS THERMOPLASTIQUE ( Tergal ), les POLYURETHANES et les POLYCARBONATES. A noter , la réaction d’un diacide sur un trialcool conduit à un polyester tridimensionnel qui n’est pas thermoplastique mais thermodurcissable. Les abréviations usuelles et standard des polymères Polyéthylène Basse Densité PEBD Polyéthylène Haute Densité PEHD Polypropylène PP Polystyrène PS Polychlorure de vinyle PVC Nous ne citons ici Polymethacrylate de méthyle PMMA que les polymères Polyamide PA les plus courants Polycarbonate PC Polyuréthanes PUR Polyéthylène Téréphtalate PETP Polybutylene Téréphtalate PBTP

3. Producteurs et appellations commerciales

Exemples de producteurs de matières plastiques : ALLIED SIGNAL DOW CHEMICAL ICI ATOCHEM DUPONT DE NEMOURS MONTEDISON BASF ENICHEM RHONE POULENC BAYER FINA SHELL CHIMIE BF GOODRICH GEP (Général Electric) SOLVAY BOREALIS (NESTE) HOECHST TOTAL DSM HULS UNION CARBIDE


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Exemples d'appellations commerciales des matières plastiques : HOSTALEN POLYSTYROL HOSTAFORM NOVOLEN STYROLUX DELRIN APPRYL VESTYRON RYTON LACQTENE LACQRENE KEVLAR TECHNYL RILSAN IXEF GRILON LEXAN BENVIC GRILAMID MAKROLON NAKAN RYNITE ARALDITE DESMOPAN

D. LES COPOLYMERES ET LES ALLIAGES

Les polymères cités jusqu'à présent étaient issus d'un seul monomère. Si, maintenant, nous utilisons deux monomères différents possédant une double liaison, ils vont s'enchaîner les uns aux autres et constituer ce qu'on appelle un copolymère.

Monomolécule


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Mécanisme de copolymérisation :

Amorçage, Propagation et Terminaison

Copolymérisation

Exemples de copolymères :

Monomère Polymère

Styrène + Butadiène Styrène-Butadiène (SB) ou PS Choc

Styrène + Acrylonitrile Styrène-Acrylonitrile (SAN) Styrène + Méthacrylate de

Méthyle SMMA

Polypropylène + EPDM (Santoprène)

PP/EPDM

Polypropylène + Ethylène Polypropylène Copolymère (PPC)

1. Cas particulier de l'ABS

L'ABS est en fait un copolymère SAN mélangé (ou compoundé avec du butadiène. Ce dernier est réparti sous forme de petites particules qui viennent se loger dans le réseau du copolymère SAN. C'est à la fois un copolymère et un compound.


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2. Les alliages

Les alliages sont constitués par l'assemblage de deux polymères pas forcément compatibles mais miscibles l'un dans l'autre. Au besoin, cette "cohabitation" entre les deux structures peut être aidée par l'introduction d'un ou des agents liants. En aucun cas il ne s'agit de copolymères. L'association de deux polymères sous la forme d'alliage permet d'obtenir une matière qui allie les avantages des deux polymères entrants dans sa constitution. Citons comme exemple les alliages : PC/ABS → Bayblend (BAYER), Cycoloy (GENERAL ELECTRIC) PC/PBTP → Xenoy (GENERAL ELECTRIC) PP/PA → Orgalloy (ATOCHEM)


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E. STRUCTURE DES CHAINES MACROMOLECULAIRES Les chaînes moléculaires peuvent être :

Macromolécule

Pour un polymère donné, les chaînes ne seront pas toutes de longueur identique car le processus de polymérisation ne permet pas de contrôler précisément ce paramètre. Ainsi le Polyéthylène existe sous 2 formes : PE BD ( Basse densité ) dont les chaînes sont linéaires très ramifiées, donc peu rigide. Il est très utilisé en feuilles, films, gainages de câble et flaconnages souples.…


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PE HD ( Haute densité ) dont les chaînes sont peu ramifiées donc plus rigide . Il est surtout utilisé en réservoirs, flaconnages durs, tuyaux résistants à la pression, casiers, boites … De même, si un monomère est dissymétrique de type - ( CH2 – CHR ) - Il est possible de prévoir plusieurs enchaînements dans l’espace : A/ Tous les groupements sont du même côté du plan, le polymère est dit Isotactique. Exemples pour le PP avec les groupes méthyle. Le polymère est alors semi-cristallin, rigide et facilement injectable. B/ Les groupements R sont situés alternativement de part et d’autre du plan, le polymère est dit Syndiotactique. C/ Les groupements sont répartis d’une façon anarchique, le polymère est dit Atactique. Le PP est alors mou, aux applications industrielles limitées et complètement amorphe.

1. Arrangement moléculaire dans l'espace

Les différentes chaînes moléculaires vont s'organiser entre elles pour donner à la matière une structure. Des interactions vont se créer. Ces interactions vont contribuer à renforcer la structure du polymère. Elles sont principalement de types : - Forces de Van Der Waals - Liaison Hydrogène

Sous l’effet de la chaleur, ces liaisons vont perdre de leurs forces, ce qui provoquera le ramollissement de la matière. Plus ces forces de cohésion sont fortes, plus il faudra chauffer la matière pour la transformer. Plus la molécule est symétrique, plus les forces sont importantes : - Liaisons intramoléculaires 50 à 200 kcal / mol ( C-C / 80, C=C / 110, =C=C= / 145, C-O / 90, O-H / 110, C=O / 174, ect


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Liaisons intermoléculaires 4 à 20 kcal / mol -............................................................................... liaiso

ns Hydrogène O » H alcoolique = 7, O » H acide 9, O » H 20 dans les PA

-............................................................................... forces de Van Der Waals 1 à 7 kcal / mol

Nous pouvons distinguer deux types de structures : Ø la structure amorphe où les chaînes moléculaires sont en vrac, sans aucune organisation particulière.

Amorphe

Ø la structure semi -cristalline où une proportion variable des chaînes moléculaires, selon la nature du polymère, va s'organiser sous forme de cristallites. Une cristallite est la conséquence d'un repliement d'une chaîne moléculaire sur elle-même ou d'un agencement régulier et ordonné de celle-ci. Le reste de la structure est à l'état amorphe.

Semi-cristalline


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Un polymère semi-cristallin comporte donc deux phases : une phase amorphe et une phase cristalline.

Exemple de polymères amorphes et semi-cristallins :

Polymères amorphes Polystyrène PS Polystyrène choc SB Polycarbonate PC Polyméthacrylate de méthyle PMMA Polychlorure de vinyle PVC Polyuréthannes PU Acétate de cellulose CA

Polymères semi -cristallins

Polyéthylène Basse Densité PEBD Polyéthylène Haute Densité PEHD Polypropylène PP Polyamide PA Polyéthylène téréphtalate PETP Polybutylène téréphtalate PBTP Polyoxyméthylène POM

Les polymères amorphes sont caractérisés par une température de fusion établie sur une plage, tandis que les semi-cristallins ont une fusion franche. Très souvent les amorphes sont transparents alors que les semi-cristallins sont opaques.


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F. STRUCTURE AMORPHE ET STRUCTURE SEMI-CRISTALLINE

Les matières thermoplastiques se divisent en 2 catégories de polymères : Ø Les polymères à structure amorphe. Ø Les polymères à structure semi-cristalline. Les matières plastiques sont constituées de molécules géantes appelées MACROMOLECULES.

MOLECULE DE BASE DU POLYETHYLENE

MACROMOLECULE DE POLYETHYLENE


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1. Structure amorphe

A l’état solide ou à l’état fondu, la structure macromoléculaire de la matière se caractérise par le désordre. Il n’y a aucun arrangement des macromolécules entre elles.

Ce désordre est généralement caractérisé par la transparence du polymère.

PIECE TRANSPARENTE (STRUCTURE AMORPHE)


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2. Structure semi-cristalline

Ils sont caractérisés par 2 phases : Ø Une phase amorphe. Ø Une phase cristalline. Lors de la solidification du polymère, les macromolécules vont plus ou moins s’arranger les unes par rapport aux autres. Ces zones d’arrangement seront appelés zones cristallines. Il y a une organisation partielle des molécules entre elles.

ZONES AMORPHE/ZONE CRISTALLINE

Cet ordre partiel opacifie le polymère.


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PIECE EN POLYAMIDE (POLYMERE SEMI-CRISTALLIN)

3. Comparatif amorphe/semi-cristallin

AMORPHE SEMI-CRISTALLIN

Retrait faible. Transparent. Caractéristiques mécaniques plus faibles. Faible résistance aux frottements. Faible résistance chimique. Fusion pâteuse. Conditions de transformation simples.

Retrait important + post retrait. Opaque. Caractéristiques mécaniques élevées. Résistance élevée aux frottements. Bonne résistance chimique. Point de fusion franc. Conditions de transformation délicates.


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G. UTILISATION DES POLYMERES Les polymères sont utilisés dans de nombreux secteurs d'activité. Citons quelques exemples: Aéronautique pales d'hélicoptère, nez d'avion Agriculture film agricole, irrigation, carters de machine

agricole Alimentaire ................................barquettes, emballage, bouteilles Ameublement évier, étagères, meubles de jardin, mousses, caisses Articles ménagers queue de casserole, poubelles, boites Automobile pneumatiques, réservoir d'essence, tableaux de

bord Bâtiment isolation, mousses, tuyaux, fenêtres, vitrages Cosmétique flacons de parfum, de shampooing, tubes de rouge

à lèvre Electricité luminaires, câbles, ga ines, appareils électriques Electroménager robots ménagers, aspirateurs, cuves de lave- linge Electronique circuit imprimés, supports divers, autoradio Habillement cintres, chaussures Informatique clavier d'ordinateur, boîtiers, disquettes Loisir et jouet (planche à voile, ski, plaisance) Lunetterie et optique lunettes, lentilles Mécanique pignons, leviers, pédales Médical Sondes, tubes, poche à sang, seringues, rein

artificiel Marine coque de bateaux, bouées, butées de quai Sacherie Sacs et emballages Téléphonie pièces de fax, de téléphone Transport nez de T.G.V., semelles de rail SNCF,


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Pour adapter certains polymères à des contraintes spécifiques correspondantes au produit à fabriquer, ou tout simplement pour pouvoir utiliser les polymères, il faut leur adjoindre divers éléments et constituer ainsi une matière plastique.

H. LA MATIERE PLASTIQUE Un polymère est généralement sensible à son environnement physique tel que la lumière, la chaleur, ou chimique tel que l'air, l'eau ou les solvants. Il faudra donc le protéger. On peut aussi rechercher à améliorer ses propriétés initiales en lui rajoutant des adjuvants, des additifs et des charges. Dans les deux cas, nous obtenons un mélange à base de polymère: une matière plastique. Un polymère n'est, par conséquent, utilisé pur qu'exceptionnellement.

1. Les charges pour les polymères

Les charges sont des substances inertes d'origine minérale, animale ou végétale. Leur proportion peut atteindre 60 % et même davantage dans quelques cas particuliers. Nous présentons ici une liste non exhaustive des différentes charges utilisées dans les matières plastiques en fonction de l'effet à produire.


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Effet à produire Charges utilisées

Réduction du prix de revient Farine de bois, sciure, papier. Carbonate de calcium, craie, kaolin, farine d'ardoise, argiles. Oxydes métalliques, verre

Diminution de l'absorption d'eau

Farine d'écorces, fibres de polyamide, silice, quartz, talc, dioxyde de titane.

Amélioration de la résistance aux chocs

Caoutchouc, fibres de rayonne, fibres d'alcool polyvinylique.

Amélioration des qualités de surface

Polyéthylène, carbonate de calcium, mica, argile, zinc.

Augmentation du module d'élasticité

Polystyrène, résines phénoliques, silice, quartz, noir de carbone.

Lubrifiant Polytétrafluoroéthylène (PTFE), talc, graphite.

Accroissement de la viscosité Craie, kaolin, argile, verre.

Effet à produire Charges utilisées Augmentation de la résistance à

la chaleur Silice, mica, oxydes métalliques, alumine, dioxyde de titane, oxyde de zinc, oxyde de magnésium, dioxyde d'antimoine, noir de carbone, kaolin, talc, aluminium, cuivre.

Amélioration des propriétés électriques

Silice, talc, kaolin, mica, sulfate de baryum, graphite.

Isolant phonique Caoutchouc, sulfate de baryum, plomb. Renfort Fibre de verre, fibre de bore, fibre de

carbone, fibres métalliques. Pour un polymère donné, le choix d'une charge ne peut se faire au hasard. Il est déterminé en fonction des caractéristiques recherchées et en fonction d'un certain nombre de principes comme la compatibilité avec la résine de base, la mouillabilité ou l'adhérence des fibres à la résine, etc.


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Nous indiquons quelques exemples de charges utilisées en fonction du polymère :

POLYMERE CHARGES ABS et SAN généralement pas de charges. Quelques

fois des fibres de verre Résines acryliques pas de charges

Cellulosiques silice, mica, fibres cellulosiques, farine de bois, noir de carbone, oxyde de zinc

Silicones

silice, fibre de verre, terre d'infusoire, carborundum, bronze d'aluminium, oxyde de zirconium

Polyacétals (POM) poudres métalliques, fibres de verre

Polyamides graphite, bisulfure de molybdène, PTFE en poudre (poudre de Téflon), fibres de verre, billes de verre

Polycarbonates pas de charges. Quelques fois fibre de verre, fibres de carbone

POLYMERE CHARGES

Polyesters linéaires pas de charges. Quelques fois graphite ou fibres de verre

Polyoléfines (PP, PE)

noir de carbone, silice, talc, fibres de verre, carbonate de calcium, oxydes métalliques, particules élastomériques

Polystyrènes pas de charges si produit transparent, sinon carbonate de calcium, mica, noir de carbone

Polyphénylènes fibre de verre, oxyde de fer, alumine, graphite, dioxyde de titane

Polyuréthannes

craie, kaolin, carbonate de calcium, sulfate de baryum, oxyde de titane, oxyde de fer, poudre métallique, graphite, farine de bois

Composés vinyliques

carbonate de calcium, kaolin, talc, noir de carbone, silice, sulfate de baryum, oxydes métalliques


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2. Additifs et adjuvants

La distinction entre additifs et adjuvant porte sur les proportions à ajouter au polymère.

a) Les plastifiants

Un plastifiant est une molécule organique capable de donner à des matériaux durs et rigides souplesse et élasticité. La souplesse d'un polymère est liée aux mouvements des chaînes moléculaires. A l'état solide, l'amplitude de ces mouvements est limitée par la présence de forces intermoléculaires responsables de la cohésion mécanique du matériau. Les molécules de plastifiant s'insèrent entre les chaînes et détruisent localement ces interactions en s'interposant entre les chaînes de polymère. Des mouvements plus amples du polymère sont alors possibles. La cohésion entre les chaînes moléculaires n'est cependant pas totalement détruite. Celles-ci ne pourront pas glisser les unes par rapport aux autres. Le matériau résistera aux transformations irréversibles. Citons la nature de quelques plastifiants : Ø Phtalates (Phtalate de dioctyle) Ø Adipates Ø Sebaçates Ø Phosphates Ø Polyesters (800 à 10 000 motifs) (Polyadipates ou polysebaçates d'éthylène glycol ou de propylène glycol) Ø Autres dont l'emploi est limité et spécial (camphre, phénones, biphényle, polyéthylène glycol, polyisobutène, etc.) Les plastifiants sont en général identifiés par trois lettres qui font l'objet d'une nomenclature et non par leur nom chimique: DOA, DIBP, DOP, DOS…


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b) Les stabilisants (< 5 %)

(1) Les antioxydants (0,02 %) :

La fixation d'une molécule d'oxygène sur le polymère constitue l'amorce d'une réaction en chaîne de fragmentation des chaînes moléculaires. Il faut donc empêcher l'oxygène d'attaquer le polymère avec l'aide d'antioxydants. Exemples: phénols, amines, noir de carbone, mercaptans, composés organiques soufrés, phosphites.

(2) Les désactiveurs de métaux :

Certains polymères sont perturbés par la présence de métaux, même en faible quantité. Exemples: polyacides (acide citrique, acide éthylène diamine tétraacétique EDTA), oxamines, triazoles, oxazoles.

c) Les anti-UV (0,1 à 1 %)

Les rayons Ultraviolets (UV) sont des rayonnements de particules appelées "photons". Ce rayonnement est le plus haut en énergie du spectre lumineux. Cette énergie va dissocier les atomes au sein des chaînes moléculaires. Les additifs anti-UV pourront être : Ø des pigments absorbants (noir de carbone, oxyde de titane, oxyde de zinc) Ø des pigments réfléchissants (oxydes de sels de magnésium, de baryum) Ø des absorbeurs UV (salicilates, benzoates, hydroxy-benzophénones, triazoles, acrylonitriles) Ø des quenchers Ø des revêtements stables et opaques


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d) Les fongicides et les bactéricides

Ces produits préviennent l'attaque des polymères par les organismes vivants. Ils doivent être utilisés avec des résines cellulosiques, les résines vinyliques et le polystyrène. Ces additifs sont les produits utilisée en agriculture. Ils ne sont pas totalement fiables, sont sensibles à la chaleur et à la lumière et présentent l'inconvénient d'être toxiques.

e) Les ignifugeants (10 %)

Ce sont des produits qui, additionnés à un matériau, lui confère une résistance au feu supérieure. La quantité importante nécessaire de ces produits dans le polymère va perturber ses caractéristiques mécaniques et physiques. La tenue au vieillissement sera également diminuée. Les ignifugeants les plus courants sont les composés organiques chlorés, bien souvent en combinaison avec l’oxyde d’antimoine.

f) Les colorants

Ils génèrent souvent des problèmes de compatibilité avec le polymère, de migration, de stabilité du colorant pendant la mise en œuvre, de tenue au vieillissement, de prix de revient, etc. On peut différencier deux types de colorant : Ø les colorants proprement dit qui sont d'origine organique, solubles dans le polymère et conduisent à une phase homogène,

Ø les pigments qui sont d'origine minérale, insolubles dans la résine et forment une suspension de particules très fines dans la matière. En général, les pigments affectent plus les propriétés physiques du polymère que les colorants solubles. Ils sont cependant plus stables thermiquement et photo chimiquement.


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Ils ne peuvent pas être utilisés pour colorer des objets transparents. Les colorants se présentent sous 3 formes: liquide, poudre (à 0,4 %) ou mélange maître (à 2 %). Le mélange maître est un mélange polymère-colorant, riche en colorant, ce qui permet des dosages de colorant ou de pigment précis. Il faut veiller à la bonne compatibilité du support du colorant avec le polymère à colorer et à sa parfaite dispersion. Certains polymères sont assez délicats à colorer (ABS, PA, PC, PU). Aussi a t-on souvent recours à un compoundeur pour réaliser la teinte dans la masse de la matière.

g) Les antistatiques

Ils évitent l'accumulation des charges électrostatiques à la surface des polymères qui sont des isolants électriques. Cet inconvénient génère une attraction des poussières, des décharges électriques qui peuvent endommager des composants électroniques, voire provoquer des incendies. On utilise en fait, des noir de carbone conducteur, des poudres ou fibres métalliques

h) les lubrifiants (2 %)

Ces sont des additifs destinés à faciliter la mise en oeuvre des matériaux en réduisant les frottements. Exemples : huiles ou cires de polyéthylène, stéarate de calcium, stéarate de zinc, stéaramide.


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i) Les antichocs (5 à 15 %)

Ce sont des additifs pour matériaux destinés à recevoir des chocs. La plupart du temps ce sont des copolymères ABS ou des polyéthylènes chlorés. J ) Les agents gonflants Ces produits libèrent des gaz, principalement de l’azote ou du CO2, sous l’action de la chaleur et de la pression. Ils sont utilisés en injection soit pour réduire les retassures voir les retraits, soit pour alléger la matière plastique. Les plus utilisés sont employés sous forme de mélange maître de Azodicarbonamide et d’une matrice PP ou PE, le bicarbonate de sodium , le pentane dans le PSE.

Toute adjonction d'un produit à plus de 2 % est susceptible de modifier les caractéristiques du polymère.

La dispersion homogène de ces additifs, adjuvants et charges dans le polymère vient augmenter la complexité du mélange de la matière plastique. Les paramètres de transformation devront être ajustés en conséquence.


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V. ORIGINE ET COMPOSITION DES MATIERES PLASTIQUES

A. ORIGINE DES MATIERES PLASTIQUES

Les matières plastiques sont des polymères organiques formés de macromolécules. Ils sont obtenus par polymérisation de monomères. Les principales matières de base qui servent à fabriquer des matières plastiques sont :

CMP – Img 0034

Le pétrole est la matière de base la plus utilisée. Les matières plastiques sont des composés organiques, c’est à dire des composés du carbone à d’autres atomes ou fonction chimique.


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CMP – Img 0035

B. SYNTHESE DES MATIERES PLASTIQUES

Synthèse du pétrole vers une matière plastique

CMP – Img 0038


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1. Extraction du pétrole

CMP – Img 0039

2. Raffinage du pétrole

Après extraction, le pétrole est traité dans une raffinerie.

CMP – Img 0040


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L’opération de distillation à chaud permet la séparation des hydrocarbures. A différents niveaux, on récupèrera :

a) Produits lourds

(1) Bithumes

(2) Huiles

(3) Graisses

b) Produits liquides

(1) Naphtas

(2) Essences

c) Produits gazeux

(1) Butane

(2) Propane


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3. Craquage des naphtas

CMP – Img 0041

Les naphtas liquides subissent une opération de craquage à la vapeur d’eau. On obtient des produits gazeux :

a) Ethylène.

b) Propylène.

c) Benzène.

d) Butadiène.


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4. Exemple de la synthèse de l’éthylène en polyéthylène

ETHYLENE

GAZEUX

CMP – Img 0042

POLYETHYLENE

SOLIDE

CMP – Img 0052


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Le gaz d’éthylène est comprimé, chauffé et soumis à l’action de catalyseurs chimiques.

Les molécules d’éthylène vont s’accrocher les unes aux autres pour former des chaînes, appelées macromolécules.

C’est la polymérisation.

La formation de ces chaînes entraîne une augmentation de la viscosité du mélange jusqu'à l’état pâteux. Le polymère se dépose au fond du réacteur.

PRINCIPE SCHEMATIQUE DE LA POLYMERISATION

CMP – Img 0053


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CMP – Img 0054

EXEMPLE DE VUE D’UN REACTEUR

CMP – Img 0059


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C. AUTRES MODES D’OBTENTION Les matières plastiques peuvent aussi être obtenues par :

a) Polyaddition.

b) Polycondensation.

Tous les polymères obtenus ont des propriétés spécifiques. Ils ont été formulés par les chimistes pour répondre à des exigences particulières.

D. EXEMPLES

CMP – Img 0065


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BOUCLIER AUTOMOBILE EN POLY / PROPYLENE.

CMP – Img 0066

BOUTEILLES D’EAU EN POLY / CHLORURE DE VINYLE

CMP – Img 0074


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CONDITIONNEMENT DE LAITAGES EN POLY / STYRENE

CMP – Img 0023

CASIERS A BOUTEILLES EN POLY / ETHYLENE

CMP – Img 0071



VI. LES MATIERES THERMOPLASTIQUES / THERMODUR-CISSABLES

On utilise 2 grandes familles de plastiques : ØLes matières THERMOPLASTIQUES. ØLes matières THERMODURCISSABLES. Ces 2 familles sont caractérisées par leur malléabilité, leur capacité à prendre des formes.

A. LES MATIERES THERMOPLASTIQUES

1. Comportement à la chaleur des thermoplastiques

Lorsque l’on soumet une matière thermoplastique sous l’action de la chaleur, elle passe d’un état solide à un état pâteux, plus ou moins visqueux selon la température. C’est la fusion du polymère. A cette température, la matière est suffisamment fluide pour être injectée sous pression dans un moule. Au contact du moule froid, le matériau se solidifie et conserve les formes de l’empreinte.



GRANULES DE POLYPROPYLENE AVANT MONTEE EN TEMPERATURE

CMP – Img 0080

POLYPROPYLENE APRES MONTEE EN TEMPERATURE

CMP – Img 0081



Si on élève la température de la pièce moulée, le thermoplastique fond. Il devient pâteux, visqueux, malléable.

Le changement d’état de liquide à solide est réversible. La matière est recyclable. Suivant la température utilisé, les matériaux seront malléables, pâteux, fluide. On pourra les utiliser pour différentes techniques de transformation.

INJECTION

CMP – Img 0083



EXTRUSION SOUFFLAGE

CMP – Img 0084

THERMOFORMAGE



B. LES MATIERES THERMODURCISSABLES

PIECES EN PHENOL-FORMOL

CMP – Img 0086

Sous l’action de la pression et de la chaleur, le matériau se ramollit, épouse les formes de l’empreinte, puis durcit sous l’effet d’une réaction chimique. Après cuisson, les pièces sont démoulées.



COQUES DE BATEAU EN POLYESTER ET FIBRES DE VERRE

CMP – Img 0092

Un système durcisseur est mélangé avec la matière. On moule la pièce par imprégnation de ce mélange sur un renfort de fibres de verre. Le durcissement se fera à température ambiante. Les pièces en matière thermodurcissables ont une structure tridimensionnelle irréversible. Si l’on soumet la pièce à l’action de la chaleur, elle ne revient pas à l’état fondu. Le changement d’état de liquide à solide n’est pas réversible.



STRUCTURE TRIDIMENSIONNELLE

CMP – Img 0098

C. CONCLUSION Les matières thermoplastiques se transforment sous l’action d’agents physiques du type chaleur et pression. Ils se caractérisent par leur recyclabilité sous l’action de la chaleur.

CMP – Img 0100



Les matières thermodurcissables se transforment sous l’action de la chaleur, de la pression et d’agents chimiques.

Leur processus de durcissement est irréversible. On ne peut pas refondre un thermodurcissable.

CMP – Img 0101



D. LES DIFFERENTES FORMES DE PRESENTATION DES MATIERES PLASTIQUES

1. Les matières thermoplastiques

Elles se présentent sous forme de granulés

GRANULES

MIT – Img 0010

Elles se présentent sous forme de poudre.

POUDRE

CPT – Img 0006



Elles se présentent sous forme de semi-produits (Feuilles, plaques).

SEMI-PRODUITS

2. Les matières thermodurcissables

Elles se présentent sous les formes suivantes :

a) Poudre ou pastilles

b) Résines

c) Pâtes ou compound

d) Plaques de pré imprégnés

Ces matières sont souvent associées à des charges ou renforts :

e) Farine de bois

f) Fibres de verre

g) Fibres de carbone

h) Fibres de Kevlar



POUDRE ET PASTILLES DE MELAMINE

CPTD – Img 0014

COMPOUND POLYESTER FIBRES DE VERRE (BMC)

CPTD – Img 0034



PLAQUES DE PREIMPREGNES

CPTD – Img 0029

RESINE + DURCISSEUR

CPTD – Img 0073



RENFORT VERRE/CARBONE/KEVLAR

CPTD – Img 007



Classification des matières plastiques thermoplastiques et thermodurcissables

LES MATIERES THERMOPLASTIQUES

FAMILLES

Polyoléfines Polystyréniques Polyvinyliques Polyacryliques Cellulosiques Polyamides Polyacétals Polyoxyphénylènes Polyesters Polycarbonates Polyfluorés Polysulfones

ELASTOMERES

Polyuréthanes Polyesters

MATIERES ALLEGEES

Polystyrène, polypropylène + agents gonflant.

ALLIAGE

PPO + polystyrène ABS + polycarbonate

EXPANSES

Polystyrène

CHARGES Fibres de verre Talc Bois PTFE Mica Graphite Poudre métallique



Les matières thermodurcissables

FAMILLES

Phénoplastes Aminoplastes Polyesters Epoxydes Polyallyliques

THERMOSTABLE

Polyimides Polybenzimidiazoles Poltpyrrones

MOUSSES EXPANSEES

Polyuréthannes Phénoliques.

COMPOSITES STRATIFIES RENFORTS

Polyesters + renforts Epoxydes Fibres de : Verre Carbone Bore Kevlar

CHARGES

Bois Mica,amiante Verre Coton Tissus Nylon Caoutchouc


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VII. LES FAMILLES DE THERMOPLASTIQUES

A. LES POLYOLEFINES : STRUCTURE SEMI-CRISTALLINE

PROPRIETES Unité PP homo/copo PEbd PEhd Densité Module de traction Température HDT (1,8 Mpa)

Mpa

°C

0.90 1.100 / 1.600 60 /100

0.91 200/300 30/40

0.95 800 / 1.200 40/50

AVANTAGES

Qualité alimentaire. Bonne inertie chimique Résistance à la fatigue en flexion.

Mise en œuvre aisée. Qualité alimentaire. Grande inertie chimique. Résistance aux chocs.

Mise en œuvre aisée. Qualité alimentaire. Grande inertie chimique. Résistance aux chocs.

INCONVENIENTS

Collage difficile. Formage difficile. Soudage HF impossible.

Fissuration sous contraintes. Mauvaise tenue à la chaleur. Collage difficile. Retrait important.

Fissuration sous contraintes. Mauvaise tenue à la chaleur. Collage difficile. Retrait important.

APPLICATIONS

Films emballage. Ficelle, corde. Corps creux pour conditionnement. Pièces automobiles.

Films agricoles. Tuyaux souples. Récipients ménagers.

Corps creux pour embouteillage rigide. Grands récipients. Réservoirs essence. Jouet.

NOMS COMMERCIAUX

APPRYL. HOSTALEN NOVOLEN ELTEX

LACTENE HOSTALEN LUPOLEN ELTEX

LACTENE HOSTALEN LUPOLEN ELTEX


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B. LES POLYCHLORURE DE VINYLE : STRUCTURE AMORPHE

PROPRIETES Unité PVC rigide PVC souple Densité Module de traction Température HDT (1,8 Mpa)

Mpa

°C

1.38 2.200/3.000 60/75

1.3 à 1.7

AVANTAGES

Qualité alimentaire. Bonne inertie chimique Rigidité jusqu'à 70° Auto Extinguible.

Souple utilisable à basses températures.

INCONVENIENTS

Fragile à basses températures. Sensible aux UV.

Non alimentaire Tenue chimique moins bonne que PVC rigide.

APPLICATIONS

Tuyauteries. Bouteilles d’eau. Profilés pour le bâtiment.

Tuyaux souples eau ou gaz. Profilés pour étanchéité. Maroquinerie.

NOMS COMMERCIAUX

BENVIC VINIDUR VESTOLIT NAKAN

BENVIC VESTOLIT NAKAN


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C. LES STYRENIQUES : STRUCTURE AMORPHE

PROPRIETES Unité PS cristal PS choc Densité Module de traction Température HDT (1,8 Mpa)

Mpa

°C

1.04 3.300 70/90

1.04 2.200 70/85

AVANTAGES

Qualité alimentaire. Bonne stabilité Dimensionnelle. Rigidité Transparent.

Meilleure résistance aux chocs que le PS cristal.

INCONVENIENTS

Cassant. Faible résistance aux chocs. Mauvaise résistance chimique.

Opaque. Difficile à souder.

APPLICATIONS

Emballages. Cassettes audio. Jouets. Articles médicaux.

Armoires de toilettes. Rasoirs jetables. Façades avant HI-FI.

NOMS COMMERCIAUX

LACQRENE POLYSTYROL VESTYRON

LACQRENE POLYSTYROL VESTYRON


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D. LES STYRENIQUES : STRUCTURE AMORPHE

PROPRIETES Unité ABS SAN Densité Module de traction Température HDT (1,8 Mpa)

Mpa

°C

1.05 2.000/2.800 95

1.08 3.000/4.000 90/105

AVANTAGES

Bonne stabilité Dimensionnelle. Bonne tenue aux Chocs. Formage aisé. Excellent aspect fini Des pièces.

Bonne résistance aux chocs. Bonne résistance à la rayure. Transparent. Stabilité dimensionnelle.

INCONVENIENTS

Opaque. Electrostatique. Mauvaise résistance chimique.

Difficile à souder.

APPLICATIONS

Capotage d’électroménager. Pièces automobiles. Boîtiers de téléphones.

Pièces d’électroménager. Pièces pour cosmétique.

NOMS COMMERCIAUX

TERLURAN CYCOLAC UGIKRAL RONFALIN

LURAN TYRIL LACQSAN LUSTRAN


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E. LES POLYACRYLIQUES : STRUCTURE AMORPHE

PROPRIETES

Unité PMMA

Densité Module de traction Température HDT (1,8 Mpa)

g/cm3 Mpa °C

1.18 3.100/3.300 75/90

AVANTAGES

Très grande transparence. Bonne tenue aux UV. Thermoformage aisé. Facile à coller.

INCONVENIENTS

Cassant, rayable. Tenue limitée en température (80°C). Mauvaise résistance chimique.

APPLICATIONS

Plaques pour vitres, hublots, vitrines. Feux arrières automobiles. Lentilles d’appareils photos.

NOMS COMMERCIAUX

ALTUGLAS DIAKON PLEXIGLAS LUCRYL


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F. LES POLYESTERS SATURES STRUCTURE : AMORPHE OU SEMI-CRISTALLINE

PROPRIETES Unité PET PBT


g/cm3 Mpa °C

1.30 6.000/9.000 70

1.30 2.500/2.800 70

AVANTAGES

Excellentes propriétés mécaniques. Excellentes propriétés électriques. Faible perméabilité au CO2.

Excellentes propriétés mécaniques. Excellentes propriétés électriques. Bonne résistance chimique. Faible reprise d’humidité.

INCONVENIENTS

Soudage HF impossible. Reprise d’humidité rapide.

Soudage HF impossible. Retrait important.

APPLICATIONS

Films photos. Bouteilles eau gazeuses et minérales. Calques.

Pièces pour industrie électrique.

NOMS COMMERCIAUX

RYNITE ULTRADUR VESTODUR ARNITE VALOX

RYNITE ULTRADUR VESTODUR ARNITE VALOX


Module N° 2029


G. LES POLYAMIDES : STRUCTURE SEMI-CRISTALLINE

PROPRIETES Unité PA 6 PA 66 Densité Module de traction Température HDT (1,8 Mpa)

g/cm3 Mpa °C

1.15 3.200 80

1.15 2.800 80

AVANTAGES

Bonnes propriétés mécaniques. Bonne résistance chimique. Bonne isolation électrique. Résistance aux frottements.

Bonnes propriétés mécaniques. Bonne résistance chimique. Bonne isolation électrique. Résistance aux frottements et à l’abrasion.

INCONVENIENTS

Reprise d’humidité rapide. Mauvaise tenue à l’eau bouillante. Mise en œuvre délicate. Propriétés diminuées en ambiance humide.

Propriétés diminuées en ambiance humide. Reprise d’humidité rapide. Mise en œuvre délicate. Retrait important.

APPLICATIONS

Capotage appareils bricolage. Pièces pour appareils électriques.

Pièces pour industrie électrique. Capotage de matériel électroménager. Visserie plastique.

NOMS COMMERCIAUX

ULTRAMID ZYTEL TECHNYL LATAMID

ULTRAMID ZYTEL TECHNYL LATAMID


Module N° 2029


H. LES POLYACETALS STRUCTURE : SEMI-CRISTALLINE

PROPRIETES Unité POM Densité Module de traction Température HDT (1,8 Mpa)

g/cm3 Mpa °C

1.41 2.900/3.400

110/115

AVANTAGES

Excellentes propriétés mécaniques (fatigue, usure, flexion). Bonne tenue chimique aux huiles.

INCONVENIENTS

Retrait important. Non alimentaire. Sensibles aux UV.

APPLICATIONS

Pignons, engrenages. Boîtiers de fixation de ski. Organes de pompe.

NOMS COMMERCIAUX

DELRIN ULTRAFORM HOSTAFORM


Module N° 2029


I. LES POLYMERES FLUORES :STRUCTURE SEMI-CRISTALLINE

PROPRIETES

Unité PTFE PVDF


g/cm3 Mpa °C

2.15 400 50

1.80 2.200/2.800 110

AVANTAGES

Inertie chimique. Excellente tenue thermique. Bonne isolation électrique. Anti-adhérent.

Inertie chimique. Excellente tenue thermique. Bonne isolation électrique. Anti-adhérent.

INCONVENIENTS

Fluage élevé. Mise en œuvre difficile Prix élevé.

Fluage élevé. Mise en œuvre difficile. Prix élevé.

APPLICATIONS

Tuyaux industrie chimique. Joints d’étanchéité. Revêtements anti-frottements.

Industrie chimique. Gainage.

NOMS COMMERCIAUX

TEFLON HOSTAFLON

FORAFLON KYNAR


Module N° 2029


J. LES CELLULOSIQUES : STRUCTURE SEMI-CRISTALLINE

PROPRIETES Unité CA CAB CP Densité Module de traction Température HDT (1,8 Mpa)

g/cm3 Mpa ° C

1.26 1.400 43

1.19 1.000 42

1.17 800 40

AVANTAGES

Transparence. Bonne résistance aux chocs Mise en œuvre facile.

Bonnes propriétés mécanique à basses température. Peu rayable.

Bonne résistance aux chocs. Inodore. Stérilisable.

INCONVENIENTS

Mauvaise tenue aux intempéries. Sensible à l’humidité.

Tenue chimique faible. Odeur forte.

Faible adhérence aux inserts métalliques.

APPLICATIONS

Manches d’outils. Peignes. Corps de stylos.

Poignées de robinets. Appareils de dessin. Enseignes.

Joncs décoratifs. Lampes. Corps de stylos.

NOMS COMMERCIAUX (Fournisseurs)

COURTAULDS RHONE POULENC DOW PLASTICS TENITE

COURTAULDS RHONE POULENCDOW PLASTICS

COURTAULDS RHONE POULENC DOW PLASTICS


Module N° 2029


K. LES POLYCARBONATES : STRUCTURE AMORPHE

PROPRIETES Unité PC Densité Module de traction Température HDT (1,8 Mpa)

g/cm3 Mpa °C

1.20 2.400 130

AVANTAGES

Très grande transparence. Excellente tenue aux chocs. Utilisation en continu jusqu'à 130°C.

INCONVENIENTS

Prix élevé. Mise en œuvre délicate. Mauvaise résistance aux hydrocarbures.

APPLICATIONS

Capotages d’électroménagers. Appareils optiques. Matériel de protection (casques).

NOMS COMMERCIAUX

MAKROLON LEXAN CALIBRE


Module N° 2029


L. LES POLYSULFONES : STRUCTURE AMORPHE

PROPRIETES

Unité PSU PESU


g/cm3 Mpa °C

1.25 2.600 170

1.40 2.700 190

AVANTAGES

Bonnes propriétés mécaniques. Transparent. Excellente tenue thermique. Auto-extinguibles.

Bonnes propriétés mécaniques. Transparent. Excellente tenue thermique. Auto-extinguibles.

INCONVENIENTS

Faible tenue aux UV. Recuit nécessaire après moulage. Prix élevé. Mise en œuvre à haute température.

Faible tenue aux UV. Recuit nécessaire après moulage. Prix élevé. Mise en œuvre à haute température.

APPLICATIONS

Isolation thermique et électrique. Composants TV. Electroménager (micro-ondes). Médical (prothèses). Aviation (hublots).

Isolation thermique et électrique. Composants TV. Electroménager (micro-ondes). Médical (prothèses). Aviation (hublots).

NOMS COMMERCIAUX

UDEL ULTRASON

UDEL ULTRASON


Module N° 2029


M. LES POLYSULFURES DE PHENYLENES : STRUCTURE SEMI-CRISTALLINE

PROPRIETES Unité PPS Densité Module de traction Température HDT (1,8 Mpa)

g/cm3 Mpa °C

1.65 ( 40 % fibre de verre ) 14.000 260

AVANTAGES

Ininflammable. Excellente tenue thermique. Excellente résistance chimique. Bonnes propriétés mécaniques

INCONVENIENTS

Température de moulage élevée Prix élevé. Mise en œuvre délicate. Mauvaise résistance aux chocs.

APPLICATIONS

Pièces d’isolation en électrotechnique. Eléments de pompes à eau.

NOMS COMMERCIAUX

FORTRON

RYTON

PRIMEF


Module N° 2029


N. LES POLYPHENYLENE ETHER : STRUCTURE : AMORPHE

PROPRIETES

Unité PPE


g/cm3 Mpa °C

1.06 2.400 120

AVANTAGES

Faible retrait. Faible reprise d’humidité. Bonne tenue en température. Bonnes propriétés mécaniques

INCONVENIENTS

Coefficient de frottement élevé. Soudage limité. Mauvaise tenue aux hydrocarbures

APPLICATIONS

Enjoliveurs chromés. Corps de pompes à eau. Boites de connexion électrique.

NOMS COMMERCIAUX

NORYL VESTORAN LURANYL


Module N° 2029


O. LES POLYETHERIMIDES : STRUCTURE AMORPHE

PROPRIETES

Unité PEI


g/cm3 Mpa °C

1.30 3.100 200

AVANTAGES

Transparent Haute résistance thermique. Bonne tenue chimique. Bonnes propriétés mécaniques

INCONVENIENTS

Mise en œuvre délicate.

APPLICATIONS

Réflecteurs de lampe halogènes. Boîtiers de sèche-cheveux.

NOMS COMMERCIAUX

ULTEM


Module N° 2029


P. LES POLYETHERETHERCETONES : STRUCTURE SEMI-CRISTALLINE

PROPRIETES Unité PEEK Densité Module de traction Température HDT (1,8 Mpa)

g/cm3 Mpa

°C

1.32 9.700 315

AVANTAGES

Grande rigidité et tenue en traction Haute résistance thermique. Très bonne tenue chimique. Bon comportement au feu.

INCONVENIENTS

Mise en œuvre très délicate. Produit très cher.

APPLICATIONS

Paliers de frottement et cage de roulements. Pièces pour industrie chimique. Prothèse de hanches.

NOMS

COMMERCIAUX

VICTREX


Module N° 2029


Q. LES POLYMERES A CRISTAUX LIQUIDES : STRUCTURE CRISTALLINE

PROPRIETES Unité LCP Densité Module de traction Température HDT (1,8 Mpa)

g/cm3 Mpa °C

1.32 9.700 315

AVANTAGES

Très grande rigidité et tenue en traction Haute résistance thermique et au feu. Bonne tenue chimique. Faible retrait.

INCONVENIENTS

Mise en œuvre très délicate. (Etuvage) Sensibles aux lignes de soudures (moulage).

APPLICATIONS

Connecteurs haute température. Pièces pour l’électronique. Pièces de four à micro-ondes.

NOMS COMMERCIAUX

VECTRA ZENITE


Module N° 2029




VIII. LES FAMILLES DE THERMODURCISSABLES

A. LES PHENOLIQUES

PROPRIETES

Unité PF2E1, PF2C1, PF2A1


g/cm3 Mpa °C

1.4 à 1.8 8.000 à 15.000 160 à 200

AVANTAGES

Excellente tenue en température. Faible retrait. Bonne tenue chimique. Autoextinguible. Prix compétitif.

INCONVENIENTS

Couleurs foncées seules possibles. Non alimentaire. Odeur forte. Mauvaise résistance à l’arc. Faible cadence.

APPLICATIONS

Pièces mécaniques rigides. Pièces d’isolation.

NOMS COMMERCIAUX (Fournisseurs)

LA BAKELITE. PERSTORP CRAY VALLEY



B. LES AMINOPLASTES

PROPRIETES

Unité UF MF


g/cm3 Mpa °C

1.50 6.000/10.000 130

1.75 200

AVANTAGES

Grande dureté de surface. Bonne résistance à l’abrasion. Transparent Peu cher.

Meilleure tenue chimique et mécanique. Alimentaire.

INCONVENIENTS

Retrait important. Sensible à l’eau bouillante. Non alimentaire.

Prix élevé.

APPLICATIONS

Colles pour contre plaqués, vernis mousses. Capots, socle, queues de casseroles.

Colles insensibles à l’humidité. Vaisselle de camping.

NOMS COMMERCIAUX (fournisseurs)

ASHLAND RASHIG

ASHLAND RASHIG



LES POLYESTERS INSATURES

PROPRIETES Unité UP rigides, semi-rigides, souples. PREMIX, PREIMPEGNES


g/cm3 Mpa

°C

1.3 à 1.6 600 à 3.500 60 à 200

AVANTAGES

Bonne tenue chimique et mécanique. Facilité de mise en œuvre. Grande stabilité dimensionnelle. Transparent.

INCONVENIENTS

Inflammabilité. Séries moyennes. Mauvaise tenue à l’eau bouillante.

APPLICATIONS

Coques de bateau. Stratifiés. Capotages électriques. Pièces de carrosseries.

NOMS COMMERCIAUX

DERAKANE RUTAPAL NORSODYNE



LES EPOXY

PROPRIETES Unité RESINE coulée, COMPOSITE + fibres, RESINE enrobage


g/cm3 Mpa °C

1.10 à 2 2.500 à 3.000 230

AVANTAGES

Bonne stabilité dimensionnelle et faible retrait. Bonne tenue chimique. Excellente tenue en température. Excellentes propriétés mécaniques avec des renforts. Bonne adhérence des supports.

INCONVENIENTS

Cycle de réticulation long. Mise en œuvre qui nécessitent des conditions hygiéniques strictes. Démoulage nécessitant une préparation.

APPLICATIONS

Enduction de circuits électroniques. Moules pour prototypes. Pales d’hélicoptères. Voilure d’avion. Cannes à pêches, raquettes de tennis.

NOMS COMMERCIAUX

ARALDITE NEONITE EPIKOTE RUTAPOX



LES POLYIMIDES

PROPRIETES

Unité PI pour compression, transfert, injection


g/cm3 Mpa °C

1.5 à 1.9 0 à 10.500 330

AVANTAGES

Bonne stabilité dimensionnelle en température. Bonne tenue chimique. Bonne tenue au feu. Excellentes propriétés mécaniques jusqu'à 250°C. Propriétés diélectriques jusqu'à 200°C.

INCONVENIENTS

Mauvaise tenue à l’oxydation et à l’arc. Prix élevé.

APPLICATIONS

Pièces de haute technicité pour aéronautique(réacteur d’avions). Circuits imprimés. Paliers, rotules, coussinets.

NOMS COMMERCIAUX

KINEL KAPTON



LES POLYURETHANES

MOUSSE PU

PROPRIETES

Densité faible. Résistance aux déchirements. Résistance à la compression.

APPLICATIONS

Produits cellulaires(mousses). Volants de voiture

NOMS COMMERCIAUX

BAYDUR, BAYFLEX PLASTHIVAU



IX. METHODES DE CARACTERISATION DES MATIERES PLASTIQUES

A. LE «MELT INDEX»

1. Structure des chaines macromoléclaires

Les chaînes moléculaires peuvent être:

Linéaires

Ramifiées

Réticulées

Structures des chaînes moléculaires

Pour un polymère donné, les chaînes ne seront pas toutes de longueur identique car le processus de polymérisation ne permet pas de contrôler précisément ce paramètre.

Distribution des masses moléculaires

Grace à la Chromatographie HPLC, il est possible de compter le nombre de motifs sur les chaînes moléculaires. Ceci permet de tracer la courbe de répartition des masses moléculaires :



100 000 200 000 300 000 400 000 500 000 600 000 700 000

Nombre de chaînes avecla même quantité de motifs

Nombre de motifspar chaînes

400600

1 200

1 500

2 300

2 500

3 000

Exemple de courbe de répartition moléculaire ( large )

La forme de cette courbe va influer sur le comportement du matériau et plus particulièrement sur sa fluidité. L'objectif final est d'obtenir un "mélange" des chaînes moléculaires homogène et constant dans le temps. Considérons un ensemble de chaînes moléculaires de grande longueur: en tirant sur une seule chaîne, nous déplaçons l'ensemble (cf. plat de spaghetti). Le comportement est très visqueux. A l'inverse, un ensemble de petites chaînes moléculaires est plus difficile à saisir. Le comportement est moins visqueux, plus fluide!

200 000 300 000 400 000 500 000

Nombre de chaînes avecla même quantité de motifs

Nombre de motifs par chaînes

Exemple de profil de distribution des masses moléculaires étroit



2. Le fluidimètre

Thermomètrecoudé étalonné

poids

filière

Repère supérieur

Isolant thermique

Repère inférieur

Cylindre en acier

Isolant thermique

Il permet de mesurer la fluidité (grade, MFI, indice de fluidité MFR) d'une matière, donc d’avoir une idée sur la longueur des chaines macromoléculaires. Le grade s'exprime en g/10 min. C'est la quantité de matière qui passe à travers une filière de dimension normalisée ( diamètre 2 mm ) pendant 10 minutes à une température normalisée. La fluidité matière met en évidence la différence de comportement d'un lot matière à l'autre. Cet indicateur n'est comparatif que pour un matériau de même nature: un polyéthylène avec un autre polyéthylène par exemple, ou pour des observations spécifiques : mesure du taux de réticulation d’une matière par exemple. Expression des résultats : Les tests sont réalisés aux températures de 220, 250 et 300 ° C et les charges sont de 1, 2, 5 et 10 kg en fonction des polymères. Ex : MFR ( 220 / 10 ) = 20 g / 10 20 est le grade réalisé à 220 ° C et 10 kg de charge AFNOR T 51016 , ASTM D 1238 , DIN 53735



B. L’ESSAI DE DURETE : La dureté (ou rigidité superficielle) est une grandeur qui permet d’apprécier la déformabilité de la surface lorsqu’elle est sollicitée normalement par un poinçon (ou pénétreur) de géométrie définie. Grâce à la simplicité de certains matériel d’essais, il s’agit d’une notion très répandue dans le domaine de la caractérisation des matériaux. Les méthodes de détermination de la dureté sont nombreuses et peuvent être classées selon la géométrie du pénétreur (sphère, pyramide, cône). On distingue généralement aussi le mode statique, qui correspond à l’application d’une charge fixe constante ou quasi constante et le mode dynamique, moins employé, où les charges sont mobiles.



PENETREURS CONIQUES Les pénétreurs coniques sont principalement utilisés pour mesurer la dureté Shore. La charge est appliquée par l’intermédiaire d’un ressort sur la pointe qui émerge du pied presseur, la lecture étant directe sur un cadran gradué de 0 à 100. La valeur 0 correspond à une pénétration maximale donc à une dureté très faible, la valeur 100 correspond à une pénétration nulle, soit une dureté importante.

Deux gammes de dureté Shore existent : Shore A pour les produits souples. Epaisseur de 5 mm mini Shore D pour les matériaux rigides. Epaisseur de 3 mm mini D’un point de vue pratique, selon la norme ISO 865-1985(F), si la lecture sur le cadran est supérieure à 90 avec le Shore A, la pénétration est quasiment nulle, il faut alors utiliser le Shore D Par contre, si la lecture sur le cadran est inférieure à 20 avec le Shore D, la pénétration est maximale ; il est donc nécessaire de passer au Shore A.

Exemple de duromètre



Comparaison des échelles de dureté des matériaux



C. LES ESSAIS MECANIQUES : LA DYNAMOMETRIE La Dynamomètrie permet de caractériser le comportement d'un matériau en fonction de sollicitations mécaniques, c'est à dire la façon dont il flue et il se relaxe.

1. Traction

a) Descriptif de l’essai

Cet essai permet de mettre en évidence la rigidité du matériau en appliquant une contrainte sur une éprouvette normalisée.

Eprouvette de type ISO pour essai de traction

On mesure la force nécessaire pour déformer l'éprouvette. Ceci permet de tracer la courbe contrainte-déformation :



Courbe contrainte-déformation,

L'inclinaison initiale de la première partie de la courbe (pente) permet de calculer le module d'élasticité E qui est proportionnel à la rigidité du matériau. Ce module s'exprime en MPa (méga Pascal = N/mm²). Plus le module est élevé, plus la rigidité est importante. On peut relever sur la courbe les points caractéristiques suivants:

(1) le seuil d'écoulement

c'est le seuil au delà duquel la déformation appliquée au matériau devient irréversible. On parle de contrainte au seuil d'écoulement et de déformation au seuil d'écoulement. La force nécessaire à la traction diminue car les macromolécules glissent les unes sur les autres, c’est le phénomène du fluage.

(2) la rupture

c'est le point où le matériau casse. On parle de contrainte de rupture et d'allongement à la rupture.

(3) Le module d’élasticité E

( ou module de Young ) défini par la relation :

MORS

MORS

FORCE F

FORCE F

Contrainte en MPa

Déformation en %

Seuil d'écoulement

Rupture



b) Méthode de calcul :

(1) Déformation :

La déformation ? peut être représentée par le rapport

où ?L est l’allongement à un instant donné et Lo la longueur initiale de l’éprouvette.

(2) Contrainte :

L’unité de la contrainte doit être homogène à une pression (Pascal, bars…). Il faut par conséquent utiliser les unités adéquates pour la force et la section de façon à rester homogène.

(3) Module d’élasticité

Nous avons vu que .

ndéformatioeintcontraE =

εσ=

LoL∆=ε

tionsecappliquée force

SF ==σ

εσ=E



D’après ce qui précède, nous pouvons écrire :

La valeur de E sera donc la valeur de la pente de la portion de droite représentant la zone élastique de la figure 1.

c) Différents types de courbes :

Matériaux malléables à faible module :

E = 35 Mpa σ = 20 Mpa A = 120 %

Colles, gels, polymères de faible masse moléculaire

Matériaux mous et résistants :

E = 35 Mpa

σ = 34 Mpa A = 800 %

Elastomères Matériaux dur et ductile :

E = 1,9 Gpa

σ = 80 Mpa A = 50 %

P

Polyamides et polyesters

Matériau dur et fragile :

E = 3,2 Gpa

σ = 72 Mpa A = 4 %

PS et PMMA

LoLE

SF encoreou

LLo

SFE ∆×=

∆×=



Dynamomètre : essai de traction

2. Flexion et compression

a) La flexion

Est le résultat d’une traction compression. On enregistre simultanément la déformation et la force nécessaire pour la flexion d’un barreau parallélépipèdique reposant sur deux appuis Les essais en flexion offrent le même type de courbes. On peut en tirer le module de flexion G en MPa. Les essais de compression permettent de calculer le module de compression et de connaître le taux de déformation permanente.



L’essai de flexion

b) Facteurs influençant les résultats

(1) Le poids moléculaire :

Plus la masse moléculaire moyenne augmente, plus la contrainte maximale est élevée. L’augmentation du poids moléculaire correspond à une augmentation de la flexi bilité.

(2) Présence d’eau, de monomère, de plastifiant :

Lorsque le polymère contient plus d’eau, la ductilité est meilleure, alors que la contrainte et le module sont moins importants. Le plastifiant sert à diminuer la viscosité et à améliorer le process de fabrication. On constate que, à même température, plus on augmente la quantité de plastifiant, plus on diminue la rigidité et la dureté.

(3) Autres influences :

La structure chimique est importante (valeur de Tg), la présence de chaines secondaires ou de groupements polaires et la cristallinité du polymère influencent les propriétés mécaniques du matériau. Il faut également souligner l’influence de la température lors des essais.



D. LES ESSAIS DE TENUE AU CHOC : Ces essais, normalisés (essai Charpy et essai Izod), mettent en évidence la capacité d'un matériau à résister à un choc (calcul de l'énergie nécessaire à sa rupture). En essai comparatif, ils permettent de mettre en évidence les contraintes internes appliquées au matériau pendant sa transformation. Le choc résulte de l’application d’une sollicitation mécanique à grande vitesse (plusieurs mètres par seconde) et à énergie élevée, engendrant la rupture d’une éprouvette en une fraction de seconde. Il existe de multiples techniques permettant de caractériser la résistance à l’impact des matériaux polymères.

Schéma d’un mouton-pendule

Les techniques conventionnelles de résistance à l’impact utilisent essentiellement des moutons-pendules. Suivant le type de sollicitation, on rencontre les appareils de type Charpy, Izod ou choc-traction.



Les essais peuvent être pratiqués sur des éprouvettes entaillées ou non et chaque type d’essai présente des avantages et des inconvénients spécifiques. La grandeur déterminée est l’énergie absorbée de façon globale lors de la rupture de l’échantillon. Cette énergie est rapportée à la section droite ou au volume sollicité. Afin de limiter l’influence de la vitesse du percuteur au moment de l’impact, il est recommandé de travailler à hauteur de chute constante.

1. Méthode Charpy

Calcul de la résilience Lors de la percussion du pendule avec l’éprouvette, celui-ci fourni une énergie qui dépend de sa hauteur de chute et plus exactement de son angle de chute (α) ainsi que sa masse m (kg). On obtient une énergie potentielle Ep. Après le choc, on note la hauteur à laquelle arrive le pendule avec un angle ? . Nous obtenons alors une énergie résiduelle Er. L’énergie absorbée par l’échantillon est égale à la différence de ces deux énergies soit :

Eabs = mgR(cosθ--cosα) avec R = longueur du bras percuteur (m) g = 9,81 m.s-2 L’énergie absorbée ne dépend, pour un pendule donné (m, R) que des positions de départ et d’arrivée. Celles-ci peuvent être repérées par un index ou par des codeurs d’angle et fournissent alors directement l’énergie absorbée lors du choc. L’énergie absorbée par le choc est rapportée à la section sous entaille si elle existe et permet de calculer la résilience [ a ], en J/mm2.

a) Eprouvette lisse :

a Exy

abs=

avec Eabs = l’énergie de choc, en joules, absorbée par l’éprouvette x est la dimension en x, en millimètre de l’éprouvette

y est la dimension en y, en millimètre de l’éprouvette



b) Eprouvette entaillée :

a Ex y

abs

k=

avec Eabs = l’énergie de choc, en joules, absorbée par l’éprouvette xk est la dimension en x, en millimètre de l’éprouvette y est la dimension en y, en millimètre de l’éprouvette Dans le cas de certaines matières particulièrement élastiques, il peut se produire un pliage sans rupture de l’éprouvette. La fragilité du barreau est alors augmentée en faisant une entaille dans la zone d’impact. L’essai Izod a été mis au point entre autre pour palier ces difficultés.

2. Méthode Izod

La résistance au choc Izod est donnée par des formules similaires à celles employées dans le cadre de choc Charpy.



Exemples : 1). Un technicien de labo réalise un essai de choc IZOD entaillé sur un PS cristal et un PS choc en vue de contrôler ces matières premières. Résultats de l’expérience :

PS cristal PS choc Hauteur initiale du marteau (cm) 30 30 Hauteur du marteau après choc (cm) 29.34 27.36

Données machine : Masse marteau = 1 kg Longueur marteau = 30 cm Dimension éprouvette : xk = 8 mm y = 4 L’énergie absorbée lors du choc (en J) ainsi que la résilience (J/mm² et kJ/m²) est :

PS cristal PS choc Eabs = mgR(cosα-cosθ)

= 1*9.81*0.3*((30-29.34)/30-0) Eabs = 0.065 J

a = 0.065/(8*4) = 0.002 J/mm² = 2 kJ/m²

Eabs = mgR(cosα-cosθ) = 1*9.81*0.3*((30-27.36)/30-0)

Eabs = 0.259 J

a = 0.259/(8*4) = 0.0081 J/mm² = 8,1 kJ/m²

2). Comparaison entre un PC vierge et un PC + 30 % FV :

PC PC + 30 % FV

Hauteur initiale du marteau (cm) 30 30 Hauteur du marteau après choc (cm) 5.54 26



Essais réalisés avec la même machine que ci-dessus.

PC PC + 30 % FV


Eabs = 2.4 J

a = 2.4/(8*4) = 0.075 J/mm² = 75 kJ/m²

Eabs = mgR(cosα-cosθ) = 1*9.81*0.3*((30-26)/30-0)

Eabs = 0.39 J

a = 0.39/(8*4) = 0.012 J/mm² = 12 kJ/m²

3). Comparaison entre choc IZOD entaillé et non entaillé sur un PP :

IZOD entaillé IZOD non entaillé

Hauteur initiale du marteau (cm) 30 30 Hauteur du marteau après choc (cm) 29.2 13.8

Données machine : Masse marteau = 1 kg Longueur marteau = 30 cm Dimension éprouvette : xk = 8 mm x = 10 mm y = 4 y = 4 mm

IZOD ENTAILLE IZOD NON ENTAILLE Eabs = mgR(cosα-cosθ) = 1*9.81*0.3*((30-29.2)/30-0)

Eabs= 0.0785J a = 0.0785/(8*4) a = 0.00245J/mm²= 2.45 kJ/m²


Eabs = 1.59 J a = 1.59/(10*4) a = 0.0398J/mm² = 39,8 kJ/m²



E. FLAMMMABILITE :

1. La tenue au feu

Une des normes couramment utilisée est l'UL94. On fait brûler des éprouvettes d'épaisseur normalisée horizontalement puis verticalement et on observe la façon dont elle brûle. Le résultat de ces observations permet de classer les matières soit HB, soit V2, V1 ou V0.

- Le classement V0 correspond à un produit autoextinguible (qui s'éteint de lui-même). L’éprouvette ne brule pas plus de 10 secondes. - Le classement V1 correspond à une éprouvette qui ne brule pas plus de 30 secondes. - Le classement V2 correspond à une éprouvette dont le comportement est le même que celui du classement V1 sauf que la matière coule sous forme de goutelettes incandescentes. - HB signifie que le produit brule assez facilement et ne peut donc pas être utilisé pour des applications ou la sécurité est recommandée. Il existe également pour les plus sévères applications, les classements

UL 94 – 5V et UL 94 – 5VA ou 5VB.



2. Essaide propagation à la flamme

(d’après la norme NFP 92 504) Cet essai à l’avantage d’être applicable aux matériaux sous des formes diverses (profilés, plaques, blocs, feuilles). On mesure la vitesse de propagation d’une flamme entre deux repères tracés sur un matériau plastique. Mode opératoire : - Tailler les éprouvettes aux dimensions indiquées. - Tracer deux repères sur les éprouvettes équidistants des bords et distants de 250 mm entre eux. - Enflammer l’éprouvette à un bout, déclencher le chronomètre au moment où la flamme atteint le premier repère. Noter le temps que met la flamme pour parcourir la distance située entre les deux repères.

1 : Eprouvette

2 : Repères

3 : Bec Bunsen



-

3. Mode d’inflammabilité dite «du barreau»

La détermination de l’inflammabilité des matières plastiques par la méthode dite du barreau fait l’objet de la norme ISO R1210. Une éprouvette parallélépipédique (largeur 10/15 mm, épaisseur 3/5 mm et de longueur exposée 80 mm) dont l’une des extrémités est encastrée et l’autre libre, est soumise durant 60 secondes, à l’action d’un bec Bunsen incliné à 45°. Au bout de cette durée, le brûleur est arrêté et le temps durant lequel le barreau continue à brûler est mesuré. Cinq essais successifs sont effectués. Selon les résultats, les résultats sont classés en trois catégories : ? Les matériaux ne brûlant pas après extinction du brûleur. ? Les matériaux brûlant durant moins de 15 secondes après extinction du brûleur, une partie au moins des 80 mm exposés subsistants. ? Les matériaux qui, 15 secondes après extinction du brûleur sont totalement brûlés ou brûlent encore.



Les polymères contenant C, H, O et N à squelette linéaire sont généralement auto-inflammables. Les polymères comportants beaucoup de cycles aromatiques dans le squelette de la chaîne sont généralement auto-extinguibles ou peu combustibles. Les polymères riches en halogènes sont fortement auto-extinguibles. EXEMPLE : Les polymères suivants sont classés selon les trois catégories citées ci-dessus :

Auto- inflammable Peu combustible Auto-extinguible PE PP PS

PA66

PET PC

PVC PTFE PSU PPS

4. Combustibilité au panneau radian

NF P 92 – 507 classement M au test de l’ Epiradiateur Ces tests sont surtout appliqués aux matériaux entrant dans la fabrication ou l’équipement de bâtiments ( immeubles, maisons, bureaux, usines ) ou de moyens de transport ( trains, voitures, avions ). L’éprouvette de matériau, plane de petites dimensions ( 30 x 40 cm ) est soumise au rayonnement constant d’un radiateur électrique. La valeur de ce rayonnement à la surface du matériau est de 3 W /cm2 en moyenne suivant un cercle de 10 cm de diamètre.



Deux dispositifs placés dans le trajet des gaz de pyrolyse, de part et d’autre de l’éprouvette sont chargés de créer éventuellement l’inflammation. On mesure quatre grandeurs : - délai d’inflamammation ( i ) - longueur des flammes ( h ) - développement de l’inflammation ( s ) ? des h - débit calorifique ( c ) La moyenne des indices obtenues après quatre épreuves de vingt minutes conduits aux critères suivants : - M O pas d’inflammation et c < à 2.5 MJ / kg - M 1 pas d’inflammation et c > à 2.5 MJ / kg - M 2 inflammation retardée, avec destruction limitée à la zone directement irradié Les matériaux classés M3 et M4 ne sont pas utilisés pour les établissements recevant du public.

5. Autres tests de tenue au feu.

a) Indice d’oxygène ISO 4589

b) Combustibilité, matériaux de garnissage intérieur à l’habitacle ISO 3795

c) Test d’inflammabilité des matières plastiques rigides ASTM D - 635

d) Test au briquet

e) Essai au brûleur – aiguille CEI 695 - 2 – 2

f) Tenue au fil incandescent CEI 695 - 2 - 1



F. ESSAIS THERMIQUES

1. Vicat

1 kgou 5 kgBAIN D'HUILE

Eprouvette

Masse pour la méthode Apour la méthode B

Schéma de principe de l'essai Vicat



Une éprouvette est soumise à la pénétration, sous une charge donnée, de l’extrémité d’une tige cylindrique de 1 mm2, dans un bain dont la température s’élève linéairement. La température pour laquelle la pénétration a atteint une valeur déterminée, est appelée température VICAT.

Pratiquement, on relève à intervalles de temps déterminés l’épaisseur de pénétration indiquée par le micromètre, au fur et à mesure que la température de l’enceinte s’élève. On obtient des courbes de cet ordre :



Cette température peut être considérée comme la température limite d’utilisation du matériau. Elle permet de comparer la tenue en température de différents matériaux, d’effectuer des contrôles de qualité…

2. HDT

Le HDT (température de fléchissement sous charge) correspond à la température pour laquelle le matériau fléchit d'une certaine valeur normalisée lorsqu'il est soumis à une contrainte également normalisée : ( 1.80 MPa pour la méthode A et 0.45 MPa pour la méthode B ) . Il permet de connaître les limites d'utilisation en température des matières plastiques.

Détermination de la température VICAT d'un PS cristal

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

40 50 60 70 80 90 100 110

Température (°C)

Enf

once

men

t (1/

100

mm

)

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

Tem

ps (m

in)



Schéma de principe de l'essai HDT

Pour des polymères amorphes, la température de fléchissement est proche de celle de transition vitreuse, alors que pour les semi cristallins, elle se rapproche de celle de fusion. Pour les amorphes, la déformation se produit au dessus d’une température limite, alors que pour les semi cristallins, elle se produit immédiatement après le début de l’expérience. Pour des polymères en cours de réticulation, on peut surveiller cette réticulation

Contrainte en rapportavec la section de l'éprouvette

BAIN D'HUILE

Eprouvette

2029 mod 1

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