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Notes de cours Procédés Procé dés d’obt d’obtention ention des matér matériaux iaux plastiques plastiq ues et compos composites ites
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Préparées : par Farhat ghanem
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Introduction générale ième
Les plastiques inventés au XX siècle remplacent de plus en plus les matériaux traditionnels comme le bois ou le métal. Les recherches menées pour améliorer et diversifier leurs propriétés les destinent à de nombreuses utilisations. Les matières plastiques sont légères, hygiéniques, durables et faites sur mesure. C'est grâce à toutes leurs qualités qu’elles sont devenues irremplaçables et omniprésentes dans les objets de notre vie quotidienne.
A. Rappel sur la matière plastique
Introduction Une matière plastique est un mélange constitué par une résine de base, additionnée éventuellement de plastifiants, de colorants et de charges : textile, poudre, fibre de verre etc. On distingue :
I.
-Les matières plastiques naturelles. : Exemple : la corne, la gélatine, l’écaille -Les matières plastiques synthétiques, obtenues à partir des dérivés du pétrole (pétroléochimie) ou du charbon (carbochimie). -Les matières plastiques artificielles, obtenues à partir de produit naturels, exemple : la nitrocellulose, la cellophane.
Historique Henri Regnault a synthétisé du PVC pour la première fois, mais cette découverte est restée sans suite. 1869 : les frères Hyatt ont mis au point le celluloïd qui est considéré comme la toute première matière plastique artificielle. 1889 : le chimiste français Jean-Jacques Trillat obtient de la galalithe en durcissant la caséine du lait. 1890 : les Britanniques Cross et Bewan découvrent la viscose en dissolvant de l'acétate de Cellulose dans du chloroforme 1907 : La découverte de la bakélite par le Belge Leo Hendrik Baekeland 1908 : la découverte de la cellophane 1927 : Apparition du polyméthacrylate de méthyle ou PMMA, qui est commercialisé sous les noms de plexiglas et d'altuglas. 1930 : Wallace Carothers invente le Polystyrène et le polyamide, qui fut le premier plastique technique à haute performance. 1933 : Apparition du polyéthylène et du polyuréthane. 1940 : Premières pièces mécanique remplacées par des résines armées composites pour les avions. 1947 : Apparition de l’époxyde 1953 : Apparition du polypropylène et du polycarbonate. En l'an 2000 , le polyéthylène et le polypropylène, étaient les matières plastiques les plus produites. 1838 :
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II.
Définitions 1. Matières plastiques
C’est un mélange d’un ou plusieurs polymères avec des additifs et des adjuvants (les polymères pure ne son pas utilisés). Une multitude d’additifs et d’adjuvants sont incorporés dans les polymères pour améliorer les caractéristiques et pour faciliter la fabrication des matériaux plastiques.
2. Monomères Ce sont des unités chimiques de base (des molécules) des matières plastiques. Ils sont construits autour des atomes de carbones (d’hydrogène, d’oxygène, d’azote, de chlore, de silice). Exemple : le monomère d’éthylène C2H4 .
Figure 1 - un monomère d’éthylène C 2H4
3. Polymères Sous l’action de la pression, la température sert un catalyseur, les monomères se regroupent entre eux pour former de longues chaines appelées polymère ou macromolécule. Un polymère peut contenir plusieurs centaines à plusieurs millions de monomères. On peut citer en exemples : le polystyrène, le polyéthylène…… Figure 2 – Exemple de polymère (Polyéthylène)
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4. Polymérisation L’opération chimique liant les monomères entre eux pour obtenir un polymère appelée polymérisation. La copolymérisation est l’enchainement de deux macromolécules de nature différentes. Il permet d’obtenir de nouvelles macromolécules dans lesquelles les éléments de base se trouvent alternés.
Figure 3 – un exemple de polymérisation
III.
Différents types de matières plastiques
Il existe trois grandes catégories de matières plastiques synthétiques: les thermoplastiques, les thermodurcissables et les élastomères.
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1. Les thermoplastiques (TP) Les matières plastiques à macromolécule ramifiées mais non réticulées, peuvent être mise en forme de façon réversible. Le nombre de branchements ou de ramification entre les macromolécules est faible, celle-ci reste linéaire et séparées après mise en forme. La structure obtenue reste très serres semi cristalline, bien organisée et proche de celle des métaux. Le recyclage est possible. Exemple : Polyéthylène ; Polystyrène.
Figure 4 - un fragment de polyéthylène linéaire
2. Les thermodurcissables (TD) Les matières plastiques à macromolécule formées en raison de maille serrée sont mises en forme de façon irréversible (formation d’un réseau tridimensionnelle au cours de la polymérisions) dans la mesure ou les branchements se font de manière aléatoire pour former des ponts, le matériau obtenu est amorphe ou désorganisé. Le recyclage est impossible. Exemple : Phénoplastes (Bakélite) ; Polyester.
Figure 5 - les macromolécules forment un réseau de mailles serrées
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3. Les élastomères Les matières plastiques à macromolécule en trois dimensions, réticulées, ne peuvent pas êtres mise en forme de façon réversible. Le recyclage est impossible. Exemple : Silicones ; Polychlorobutadiene (Néoprène).
Figure 6 – les macromolécules forment un réseau de maille large
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Fiches techniques de quelques matériaux plastiques. Il existe beaucoup de sorte de matières différentes, le choix de la matière dépend généralement du type de pièce à mouler. Il faut avant tout savoir avec précision l'usage que l'on veut en faire. Ensuite, il faut étudier son comportement dans le temps selon certain critère tel que la résistance mécanique, son exposition au ultra violet (U.V), sa souplesse, si elle résiste face à certains solvants.
Les matières le plus souvent employées sont : 1. Polystyrène (P.S) 2. Polypropylène (P.P) 3. polyéthylène (P.E) 4. Polycarbonate (P.C) 5. Polyamide (P.A) 6. Acrylonitrile Butadiène Styrène (A.B.S) 7. Polyoxyméthylène (P.O.M) 8. Polychlorure de Vinyle (P.V.C) 9. Polyméthacrylate de méthyl (P.M.M.A) 10. Styrène Acrylonitrile (S.A.N) 11. Polyoxyphénylène modifié(P.P.O.m) 12. Polytéréphtalate d'éthylène(P.E.T)
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Polystyrène (P.S)
Découverte entre 1930 et 1931 origine : Gaz naturel ou pétrole = Styrène Structure : Amorphe Retrait : 0.2% à 0.6% Densité : 1.05
Mise en
uvre :Injection
œ
T° de Moulage : 160°à 280° C T° du moule : 10°à 60° Temps d'étuvage : aucun
Avantages particuliers :
Facilité extrême de mise en œuvre, cadences rapides Excellente transparence cristal Bel aspect de surface, possibilités de coloration Faible retrait Alimentaire, absence d'odeur Collage et soudure aisés (Ultrasons)
Précautions limites d'emploi :
Résistance aux chocs faibles Electrostatique Mauvaise tenue aux hydrocarbures (huiles, solvant, ...) Jaunissement à la lumière (stabilisants) Combustible, mauvaise tenue thermique
Utilisations les plus courantes :
Equipement ménager, jouets, luminaires Emballage et décorations
Il existe plusieurs sorte de Polystyrène, avec des caractéristiques mécanique beaucoup moins fragile (ex: Le Polystyrène choc)
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Polypropylène (P.P)
Découverte en 1957 origine : Propylène + éthylène Structure : Cristalline Retrait : 1% à 2.8% Densité : 0.900
Mise en oeuvre : Injection
T° de Moulage : 210°à 300° C T° du moule
: 20°à 90°
Temps d'étuvage : aucun
Avantages particuliers : Extraordinaire résistance à la flexion Excellente propriétés électriques Bonne propriétés mécaniques Très bonne résistance aux produits chimiques Possibilité fibrilation Précautions limites d'emploi : Inserts en cuivre et manganèse déconseillés Fragilité à la basse température (limite O°) Mauvaise tenue au vieillissement (nécessité adjuvants) Jaunissement à la lumière (stabilisants) Retrait non homogène Utilisations les plus courantes : Pièces industrielles (automobile : bonne résistance à la température et aux produits chimiques) Equipement ménager Corps creux, bouchage tubes, tuyaux eau chaude Bandes de cerclage Composants électriques et électroniques Emballages alimentaire (Bac, pot, couvercle, seau, ...)
Selon le type de pièces à réaliser, il faut un Polypropylène avec des grades différents, ou des additifs comme du P.P chargé de talc. Il existe deux familles de P.P . 1. Les homopolymères : le même motif chimique se répète à l'infini (ex : A.A.A.A.A.A) 2. Les copolymères : qui est un mélange de deux produits différents (ex : A.B.A.B.A.B)
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Polyéthylène haute densité (P.E)
Découverte en 1937 pour le P.E basse densité et en 1957 pour le P.E haute densité origine : Ethylène Structure : Cristalline Retrait : 1.3% à 3.5% Densité : 0.945 à 0.960
Mise en
œ
uvre : Injection
T° de Moulage : 160°à 300° C T° du moule : 20°à 60° Temps d'étuvage : aucu
Avantages particuliers :
Caractéristiques améliorées par rapport au P.E basse densité Rigidité, brillance de surface Résistance à la température (-40° à +125°) vieillissement aux chocs, inertie chimique, résistance à l'eau bouillante Anti-adhérence accrue Absence de fissuration sous tension
Précautions limites d'emploi :
retrait différentiel Densité plus élevée que le P.E bd Nécessité incorporation d'agents antistatiques pour certaines applications
Utilisations les plus courantes :
Casiers de manutention Articles ménagers, jouets, sièges, luminaires Isolation électrique réservoirs, chaudronnerie anticorrosion Mono-multi filaments, fils plats étirés, corderies, sacs
Le P.E basse pression est toujours de haute densité , et le P.E haute pression est toujours de basse densité
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