INNOVEZ : Substituez vos matériaux traditionnels par des plastiques
nouvelle génération !
31.05.2013
Guy CHRETIEN – Chef de Projet R&D
Sébastien MOUSSARD – Ingénieur Matériaux
Matériautech®, 39 rue de la Cité, 69003 Lyon
Matériautech® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013 2
Sommaire
1. Présentation de la Matériautech®
2. Pourquoi substituer les matières traditionnelles par des matières
plastiques ?
3. Propriétés recherchées dans le cadre de la substitution :
• Propriétés mécaniques / thermiques
• Résistance à la fatigue / résistance à l’usure
• Résistance au feu / tenue chimique
• Autres propriétés associées
4. Conclusion
Matériautech® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013 3
Matériautech®
Charges (GF, MF, nanocharges …)
Substitution métal
Souplesse (TPE, SI, PU …)
Transparence (PC, PMMA, COC, ABS …)
Spécialité (pigments visuels, fonctionnels)
Polymer-Blends (PC/ABS, PC/PET …)
Bioplastiques (biosourcés, biocomposites)
Recyclage (PP, PE, PA, PET …)
Materiautech® - Lyon
La Matériautech® : un espace dédié à l’innovation matières et process au service des
industriels
Injection (mono/bi, Roctool®)
Thermoformage
Extrusion soufflage
Rotomoulage
Moulage thermodurs (RIM, coulée …)
Prototypage rapide
Procédés de décoration (métallisation, IML,
immersion, peinture …)
Plus de 600 matières disponibles dans une dizaine de procédés de transformation
GEM®
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Les Matériautech®, sont des centres de compétences européens en Plasturgie et Eco-Conception.
En Europe LYON / GENERALISTE (Allizé Plasturgie)
ITALIE / MATIERES TECHNIQUES HT (Proplast)
OYONNAX / INJECTION & OUTILLAGES (PEP)
SOPHIA ANTIPOLIS / BIOMATERIAUX (Carma)
SAINT- ETIENNE / DESIGNER (Cité du Design)
MAUVES / COMPOSITES (Compositec)
ALES / NANOMATERIAUX (Ecole des Mines)
Développements en cours Allemagne / Espagne
8 Materiautech®
PARIS / GENERALISTE (Fédération de la Plasturgie)
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Pourquoi substituer les matières traditionnelles ?
Pourquoi substituer ?
Gain économique
Contraintes réglementaires
Contraintes environnementales
Compétitivité
Intégration de fonctions
Allégement
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Substitution : propriétés recherchées
Complexification des cahiers des charges :
• Nécessité de matériaux plus spécifiques et mieux adaptés
• Conception de matériaux sur mesure
Nécessité d’améliorer constamment les performances des
polymères pour satisfaire à des critères spécifiques …
Propriétés recherchées :
• Mécaniques / thermiques
• Résistance à la fatigue / à l’usure
• Résistance au feu / tenue chimique
• Autres propriétés associées
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Propriétés mécaniques / thermiques
1 - Les thermoplastiques post-réticulables
Polymères obtenus par :
• Greffage des polymères,
• Extrusion réactive.
Après hydrolyse de la pièce finie, la matière est réticulée
Matières plastiques plus performantes :
Secteurs d’applications élargis
Augmentation des caractéristiques mécaniques (PEX, PP-X)
Meilleure tenue au fluage à chaud
Augmentation DRC à chaud et à T° ambiante
Source : SETUP
Performance
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Propriétés mécaniques / thermiques
Matières hautes performances :
obtenues à partir d’une chimie
de spécialité plus onéreuses.
Matières de commodité : moins
chères, mais T° d’utilisation
insuffisante.
La réticulation permet de
compenser cette carence à
faible coût.
Prix 300°C
150°C
100°C
Amorphe Semi Cristallin
PMMA
PVC
PS
PE
PP
PC
PA 11 PA 12
PA 4-6
POM TPU
PEI
PSU
PAI LCP
PTFE
Matière plastique
technique
Matière plastique
haute température
Source : SETUP
Performance
Matière
plastique de
commodité
Les thermoplastiques post-réticulables - Exemples
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Propriétés mécaniques / thermiques
2 - Les nanocomposites
Limites des composites traditionnels : amélioration de certaines propriétés au détriment des autres
Avantages des nanocomposites :
• Amélioration significative des propriétés
Réduction de la dimension des particules et accroissement des surfaces de contacts et d’échanges : rapport surface / volume élevé
• Allégement à performance égale ou supérieure
Utilisation de fractions volumiques beaucoup plus faibles que pour les particules micrométriques.
• Apport de nouvelles fonctions (optiques, électro-magnétiques, thermiques,…).
Amplification des interactions
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Propriétés mécaniques / thermiques
Cas des nanotubes de carbone (CNT)
• Propriétés mécaniques : 100 x plus résistant que l’acier
• Propriétés thermiques et électriques : 2800°C
Ex 1 : Compound PP + 0,5% CNT
CNT un excellent additif pour augmenter les propriétés thermiques
ARKEMA / Graphistrength® 45
50
55
60
65
70
75
80
Vicat A50 (10N) HDT 1,8 Mpa
Te
mp
éra
ture
[°C
]
PPC 5660
PPC 5660 + 0,5 % CNT
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Propriétés mécaniques / thermiques
Ex 2 : Compound EPDM + 3 % CNT
• Augmentation des propriétés mécaniques
Contrainte à la rupture x 2
Résistance à l’abrasion x 2
Augmentation significative de la résistance à la déchirure
ARKEMA / Graphistrength®
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Propriétés mécaniques / thermiques
Nanoparticules d’argile, famille des phyllosilicates
Ex. : Influence du taux de nano argiles sur les propriétés d’un PA
Condition : avoir une bonne dispersion des nanocharges dans des matériaux de base
Une faible quantité de particules (2-5 %) suffit pour obtenir une
amélioration significative de propriétés
Allégement des pièces composites
0
100
200
300
400
500
600
700
0 2 4 6
E(1
20
°C)
[MP
a]
Teneur en argile [wt%]
Saponite
Montmorillonite
Kojima
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Propriétés mécaniques / thermiques
3 – Les matériaux de nouvelle génération
Polyamides (PA 4-6)
Polycarbonates (PC)
Polyphtalamides (PPA)
PolyPhenylEther (PPS)
Polysulfones (PSU, PESU, PPSU)
PolyArylEtherCétones (PAEK : PEK, PEEK, PEKK, PEEKK, PEKEKK)
Polyimides (TPI, PAI)
300°C
150°C
100°C
Amorphe Semi Cristallin
PMMA
PVC
PS
PC
PA 11 PA 12
PA 4-6
PPA POM
PEI
PSU
PAI LCP
PAEK
PTFE
PPS
PE PP
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Propriétés mécaniques / thermiques
Source : Expert
Business Development
Module de flexion en fonction de la température
MPa
°C
Taux de 30 à 40%
de Fibres de Verre
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
PPA
PEEK
PA46
PAI
TPI
PES
PPS
PPSUet PEI
PSU
PA 4-6 PPS PPA PEEK PSU PPSU & PEI PESU TPI PAI
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Propriétés mécaniques / thermiques
Matières Tg
PA 4-6 80°C
PPS 90°C
PPA 110 à 125°C
PAEK 143 à 170°C
PSU / PPSU / PESU 190°C / 210°C / 220°C
PEI 217°C
TPI 250°C
PAI 275°C
Comparaison des températures de transition vitreuse (Tg)
Source : Expert
Business Development
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Propriétés mécaniques / thermiques
Les polyamides 4-6 (grades Stanyl®)
Matériau à cristallinité élevée dont la T° de fusion est de 295°C.
Rigidité :
• Haut degré de cristallinité conserve en grande partie sa rigidité à des
températures proches de son point de fusion.
Nota 1 : Les grades Stanyl High Flow®
peuvent remplacer les LCP
Nota 2 : Effets de l’humidité : comme
tout autre polyamide, le Stanyl®
absorbe l’humidité réversiblement
Source DSM
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Propriétés mécaniques / thermiques
Une nouvelle famille de PC hautes températures (Lexan XHT)
Utilisation de nouveaux comonomères dans la résine
Caractéristiques mécaniques
Température d’utilisation sur du long
terme entre 140 et 185°C
HDT 155°C
Parois fines possibles
Source SABIC
Innovative Plastics
Heat
Amorphous Crystalline
PBI
PAI
PI
PPS
LCP PTFE
PEEK
HHPC
PSU
PES
PEI PPSU PA46
PPA XHT
PMMI
PAR
Chemical Resistance
Lexan* XHT
Resins
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Propriétés mécaniques / thermiques
Nouvelles générations de PPA :
Basés sur PA6T/X et PA10T/X (Exemple : grades Vestamid)
Hautes températures d’utilisation > 180 °C
Propriétés mécaniques constantes indépendantes du taux
d’absorption d’eau
Excellente résistance au fluage, à la fatigue et haut module
Source EVONIK
Source EVONIK
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Propriétés mécaniques / thermiques
Les PPS
2 types :
Linéaire, choisi pour sa bonne résistance aux chocs
Réticulé, choisi pour sa bonne rigidité, résistance au fluage et
tenue en température
Propriétés générales :
Stabilité thermique sur du long terme > 240°C (Tf = 280°C)
Haute rigidité (haut module)
Résistant au fluage
Réserves :
• Tg plutôt basse (env. 90°C)
• Résistance aux chocs limitée et sujet à
l’élongation (poids moléculaire modéré)
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Propriétés mécaniques / thermiques
Nouveau développement : un PPS modifié choc
PPS linéaire modifié élastomère :
Allongement à la rupture amélioré
Résistance au choc thermique
Performant sous hautes T°
Source DIC
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Propriétés mécaniques / thermiques
Les polysulfones : PSU, PESU, PPSU
Polymère amorphe thermostable :
Haute Tg
• Propriétés constantes jusqu’à leur Tg
Stabilité thermique élevée sans perte de propriétés mécaniques
T utilisable en continu 180°C (à court terme max 205°C)
Haute rigidité et bonne résistance au fluage
Matière Tg
PSU 187°C
PESU 225°C
PPSU 223°C
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Propriétés mécaniques / thermiques
La famille des PAEK
Point de fusion jusqu’à 387°C
Maintien des performances après 5 000 heures à 150°C
Module et résistance spécifique élevés
Une remarquable tenue en température :
• HDT de 150 à 175°C pour les résines pures, jusqu’à 300°C pour les
résines renforcées
• Utilisation en continu jusqu’à 250 – 260°C,
• Expositions courtes jusqu’à 300°C
Rigidité élevée, résistance élevée en traction et compression
Tenace mais sensible aux entailles
Un bémol : sensible aux UV
Matière Tg T° fusion
PEK 330°C – 360°C
PEEK 143°C 343°C
PEKEKK 162°C 387°C
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Propriétés mécaniques / thermiques
TPI, PEI & PAI : le sommet de la pyramide
PEI
• Polymère amorphe thermostable, destiné à l’injection
• Performances thermiques (Tg 217°C), en continu 170°C
• Haute rigidité
PAI
• Thermoplastiques à hautes performances - Tg 275°C
• T d’utilisation en continu jusqu’à 200°C
PI
• Bonne résistance mécanique
• Tg supérieure à 200 °C,
• T° dégradation pouvant atteindre 400 °C,
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Propriétés mécaniques / thermiques
Source : Expert
Business Development
Module de flexion en fonction de la température
MPa
°C
Taux de 30 à 40%
de Fibres de Verre
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
PPA
PEEK
PA46
PAI
TPI
PES
PPS
PPSUet PEI
PSU
PA 4-6 PPS PPA PEEK PSU PPSU & PEI PESU TPI PAI
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TPI & PEI : un module spécifique
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 50 100 150 200 250 300
Specific
Tensile S
trength
(MPa c
m3/g
)
Temp (°C)
Aluminum/EXTEM XH Comparison Specific Tensile Strength
EXTEM XH1005
Aluminum 6063-T5
Aluminum 1100-H18
Specific Tensile strength outperforms
some DCAL’s at T° Source SABIC
Innovative Plastics
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Résistance à la fatigue / résistance à l’usure
Résistance à la fatigue et sollicitations mécaniques
• PA 4-6,
• PPA,
• PPS (super tough de DIC),
• PAEK
Résistance à l’abrasion et à l’usure
• Thermoplastiques post-réticulables
• PA 4-6 type Stanyl® (excellente résistance)
• PPA
• PAEK
• PAI
Pièces de
frottement
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Résistance au feu / tenue chimique
1 – Matériaux de nouvelle génération
Résistance au feu
• PPS (UL94-V0)
• PAEK (V0, Intrinsèquement ignifuge, faibles émissions de fumées)
• PEI (V0, Intrinsèquement ignifuge, faibles émissions de fumées)
• PSU
Résistance chimique (stress-cracking)
• PEX (Résistance au solvant)
• TPU-X (Tenue aux huiles améliorée)
• PPA
• PPS (Résistance chimique proches de celle des PTFE)
• PSU
• PAEK (Résistance à la plupart des agents chimiques organiques ou
non organiques)
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Résistance au feu / tenue chimique
Résistance à l’hydrolyse
• PPA
• PAEK - Résistance élevée
- Seulement sensible aux agents très agressifs (acides sulfurique
et nitrique fumants, chlorure de méthylène)
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Résistance au feu / tenue chimique
LOI, Limited Oxygen Index
Polyoxyméthylène
Polyéthylène
Polypropylène
Polystyrène
Polybutylènetereph.
Polyamide
Polyphénylènether
Polycarbonate
Polysulfone
Polyaryléthercétone
Polyéthersulfone
Polyvinylchlorure
POM
PE
PP
PS
PBT
PA
PPE
PC
PSU
PEAK
PESU
PVC
Oxygen [%]: 0 10 20 30 40 50
Source BASF
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Résistance au feu / tenue chimique
2 – Les nanocharges
Nanocomposites d’argile
• Les feuillets d’argile jouent un rôle barrière à l'oxygène lors de
l’exposition aux flammes
• Résistance au feu insuffisante en comparaison à des retardateurs de
flamme conventionnels incorporés à des taux beaucoup plus élevés.
Emergence de combinaisons de nanoparticules avec des composés
non-halogénés
• Effet de synergie
• Effets de renforcement (ex : mécaniques)
Nanocharges
Représentation de l’effet barrière à l’O2 des nanocomposites
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Résistance au feu / tenue chimique
Cas d’un PP/PA6, Ecole des Mines d’Alès, Centre des Matériaux (C2MA)
• Combinaison de la propriété de ductilité du PP et de la résistance mécanique du PA6
Amélioration du comportement au feu des mélanges PP/PA6
• Incorporation de charges minérales nano ou micro
Formulations:
• PP/PA6 (80/20)
• SEBS-g-AM (5% en masse) : agent de comptabilisation
• Charges minérales (5% en masse):
- Argile 1 : Montmorillonite organomodifiée (N5)
- Argile 2 : Sepiolite (Sep)
- Argile 3 : Halloysite (HNT)
• Retardateur de flamme (RF) phosphoré (15% en masse):
Analyses au cône calorimètre : débit calorifique = f(temps)
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Résistance au feu / tenue chimique
Formulations sans RF phosphoré:
• Seule la formulation PP/PA/SGM/Argile 1 montre une forte chute du
HRR
• L’allure de la courbe est caractéristique d’un effet barrière
sans RF phosphoré
0 150 300 450 600
0
150
300
450
600
HR
R d
ébit c
alo
rifique k
W. m
-2
Time (s)
PP/PA/SGM PP/PA/SGM/Sep PP/PA/SGM/HNT PP/PA/SGM/N5
Irradiance: 35 kW.m -2
forte chute
PP/PA/SGM/Argile 1
B.Otazaghine-C2MA PP/PA/SGM/N5
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Résistance au feu / tenue chimique
Formulations avec RF phosphoré:
• Toutes les formulations chargées ont un meilleur comportement que la
formulation contenant uniquement le retardateur flamme
• La combinaison Sepiolite/RF donne les meilleures performances
Effet de synergie : résistance au feu plus importante
avec RF phosphoré
200 400 600 800 1000 0
100
200
300
400
500
600
700
Time (s)
HR
R k
W. m
-2
PP/PA/SGM PP/PA/SGM/RF PP/PA/SGM/RF/Sep PP/PA/SGM/RF/HNT PP/PA/SGM/RF/N5
meilleures performances
avec RF/Argile 2
B.Otazaghine-C2MA
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Autres propriétés associées
Résistance diélectrique élevée (isolation, résistance au claquage)
• PEX (TP post réticulé) - Résistance au claquage
• PAEK - Haute tension de claquage,
- Isolation,
- Stabilité de propriétés diélectriques
Biocompatibilité, ISO/USP, alimentarité :
• PAEK (grande pureté), PPSU, PESU, PEI …
Stérilisation :
• PSU
Haute fluidité :
• PA4-6, PPS, PAEK, LCP.
Faible retrait de la matière et stabilité dimensionnelle :
• PPA, PPS, PEI, PESU, PPSU/PSU …
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Autres propriétés associées
Conduction thermique
Matières issues de ressources renouvelables / recyclage
• PPA (VestamidPA6T/X et PA10T/X) biosourcés à 50 %
Facilité de mise en forme / miniaturisation
Traçabilité / identification
Plastronique
Propriétés barrières
Aspect de surface
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Conclusion
VALEUR AJOUTEE
Intégration de fonctions
Liberté de forme /
conception
Association de plusieurs propriétés
Performance des
matériaux
Allégement, réduction
épaisseurs
Facilité mise en forme
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Sébastien MOUSSARD Ingénieur matériaux
Tél : +33 (0) 426 682 857 [email protected]
Guy CHRETIEN Chef de projet R&D
Tél : +33 (0) 426 682 896 [email protected]
39 rue de la Cité 69441 LYON - Cedex 03 France
www.materiautech.org
Merci pour votre attention !
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