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ENSIT

Notes de cours

Procédés d’obtention des matériaux

plastiques et composites

Version 00

Préparées : par Farhat ghanem

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Introduction générale

Les plastiques inventés au XXième

siècle remplacent de plus en plus les matériauxtraditionnels comme le bois ou le métal. Les recherches menées pour améliorer et diversifierleurs propriétés les destinent à de nombreuses utilisations. Les matières plastiques sontlégères, hygiéniques, durables et faites sur mesure. C'est grâce à toutes leurs qualités qu’ellessont devenues irremplaçables et omniprésentes dans les objets de notre vie quotidienne.

A. Rappel sur la matière plastique

IntroductionUne 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 :

-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.

I. Historique 1838 : 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.

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II. Définitions

1. Matières plastiquesC’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. MonomèresCe 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 C2H4

3. PolymèresSous 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 peutciter 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 appeléepolymérisation. La copolymérisation est l’enchainement de deux macromolécules de naturedifférentes. Il permet d’obtenir de nouvelles macromolécules dans lesquelles les éléments debase se trouvent alternés.

Figure 3 – un exemple de polymérisation

III. Différents types de matières plastiquesIl 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 enforme de façon réversible.

Le nombre de branchements ou de ramification entre les macromolécules est faible, celle-cireste linéaire et séparées après mise en forme. La structure obtenue reste très serres semicristalline, 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 lapolymérisions) dans la mesure ou les branchements se font de manière aléatoire pour formerdes 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 peuventpas 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 œuvre :Injection T° de Moulage : 160°à 280° CT° 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 fibrilationPrécautions 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 desadditifs 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 œuvre : Injection T° de Moulage : 160°à 300° CT° 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