La grande famille des plastiques

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1 La grande famille des plastiques Des matières sur mesure Il y a encore 30 ans, personne ne pouvait imaginer l essor et l importance que prendraient les matières plastiques. A cette époque, seules quelques propriétés bien précises étaient connues et réservées à la fabrication de films, de fibres, de revêtements, ou encore de produits bon marché. Aujourd hui, les connaissances sur la nature et la structure des polymères et leurs propriétés permettent, en choisissant les produits de base, le type de liaisons et d architecture moléculaire, de modifier à volonté et avec une extrême précision les propriété du plastique à élaborer. Ainsi, ingénieurs et architectes sont-ils capables, en organisant la structure interne de leurs plastiques, de créer un matériau sur mesure au lieu de le modifier après sa fabrication. Matériau unique mais matières déclinables à l infini, le plastique est utilisé à tous les niveaux industriels. Conscients de fantastiques potentialités encore inexploitées de cette matière, les entrepreneurs de tous les secteurs investissent dans la recherche technologique afin de parfaire ses applications. Chaque décennie fait donc apparaître son lot de nouvelles matières qui génèrent des utilisations toujours inédites et toujours plus sophistiquées. Des qualités multiples et un potentiel d utilisation infini L évolution des matières plastiques a entraîné le développement de leurs applications et favorisé la création. Ainsi, les matières plastiques permettent-elles tout et son contraire : elles sont isolantes et conductrices, légères et résistantes, souples mais solides, transparentes et opaques. Elles sont pratiques, esthétiques, sûres et économiques. Grâce à elles, des problèmes techniques auparavant insolubles ont trouvé des solutions dans les secteurs de la santé, du transport, du bâtiment et de la décoration, de l agriculture et des loisirs au sens le plus large du terme. Capables de répondre aux exigences de la haute technologie, elles résistent à des conditions d utilisation très difficiles (températures élevées ou contraintes mécaniques importantes). Leur résistance alliée à leur légèreté sont des atouts majeurs dans des domaines comme l aéronautique, l aérospatiale, l automobile et la médecine où elles remplacent un organe déficient de façon durable, efficace et en totale biocompatibilité avec le corps humain. La famille des plastiques Un matériau (naturel, artificiel ou synthétique) est dit plastique lorsqu après avoir été déformé par une action externe (chauffage, pression, soufflage ) il conserve la forme souhaitée.

2 Les polymères sont les constituants essentiels des matières plastiques. Ce sont des molécules géantes -des macromolécules- formées de longues chaînes de molécules plus petites, accrochées les unes aux autres un peu comme les perles d un collier. Les plastiques naturels Les polymères existent dans la nature et ont toujours été utilisés par l homme. Ces matières naturelles telles que l ambre, l écaille, la résine des arbres, la laine, ls cheveux, les sécrétions de certains insectes, comme la laque et la soie, sont dits plastiques puisqu elles sont modelables : l homme a les moyens de les déformer. La cellulose est le plus commun des polymères naturels. Elle se trouve dans les arbres, dans l herbe, le lin, le chanvre et le coton. C est donc sur elle que les chimistes ont jeté leur dévolu pour effectuer les premières expériences et inventer les plastiques artificiels puis synthétiques. Les plastiques artificiels Nés de la transformation des polymères naturels, les plastiques artificiels sont les premières matières plastiques, au sens strict du terme. Entrent dans cette catégorie, le Celluloïd (encore utilisé pour les balles de tennis) et l acétate de cellulose, ou encore la Galalithe, tirée de la caséine du lait. Ces plastiques ne sont aujourd hui presque plus utilisés en raison de certains handicaps : inflammabilité, altération au vieillissement Les plastiques synthétiques Ce sont tous les plastiques crées par les chimistes, par réactions de synthèse comme la polymérisation ou la polycondensation, à partir de molécules simples, et dont les matières premières sont principalement le pétrole et le gaz. L éventail actuel des polymères synthétiques est extrêmement large et leurs qualités très variées. La possibilité d en faire des produits en forme, des émulsions (colles, vernis, peintures), des mousses, des associations (composites, sandwichs ) de leur donner en quelques instants l apparence, la couleur, la résistance ou la transparence désirées, leur confère des avantages inégalables par rapport aux matériaux classiques. Des recherches continuelles permettent d améliorer les matières plastiques, de les diversifier, de réduire les faiblesses qu ils possèdent encore Thermoplastiques. Thermodurcissables.. Les propriétés d un polymère dépendent de la nature des monomères (des petites molécules qui les constituent) et de la façon dont ceux-ci sont liés les uns aux autres. Ces constitutions permettent de classer les plastiques en deux catégories, selon leurs réactions à la chaleur : les thermoplastiques sont malléables à chaud tandis que les thermodurcissables conservent leur forme et plus on les chauffe, plus ils se rigidifient. Les thermoplastiques

3 Lorsque l on chauffe des thermoplastiques, ils deviennent malléables et pâteux. En se refroidissant, ils se solidifient et peuvent à nouveau être fondus. Ces polymères représentent 80% du marché mondial des plastiques. La rapidité de leur mise en œuvre et la possibilité de réutiliser les déchets de production ont favorisé leur emploi. Dans la famille des thermoplastiques, on distingue trois branches : les grands thermoplastiques, les thermoplastiques techniques et les autres thermoplastiques. Les grands thermoplastiques Le polychlorure de vinyle (PVC) : la simplicité et l économie Le PVC est peu cher et adapté à de nombreux usages. Plastique de grande diffusion, difficilement inflammable, il sert autant à la fabrication de volets, cloisons, tuyaux et gouttières, qu à celle d un grand nombre de matériel méicaux (perfusions, poches.). Souple, il s utilise comme film de protection sur papier et tissus, les rendant lavables et imperméables, pour la confection des similicuirs du mobilier par exemple Les polyéthylènes : L isolation Découverts en Angleterre par le chimiste ICI, ils sont utilisés pour isoler le premier câble téléphonique sous-marin reliant l Europe aux Etats-Unis. Très isolants, ces matériaux ont permis le développement du radar et l essor des fameux tupperware! De nos jours, le polyéthylène basse densité est utilisé en films pour l emballage, l agriculture, le bâtiment, les sacs poubelles Quant au polyéthylène à haute densité, il sert à la fabrication des réservoirs d essence, des sacs sortie de caisse, des flacons de détergents, des poubelles urbaines en encore des planches à voile. Les polyéthylènes sont les plastiques les plus utilisés au monde. Les polypropylènes La flexibilité et la résistance à haute température Lors de sa découverte en 1954 par l Italien Gulio NATTA, les propriétés du polypropylène sont telles que l on croit avoir trouvé le plastique universel. On l utilise pour les films d emballage, les articles de cuisine. Concurrent direct du polyéthylène, il trouve des emplois techniques grâce à se tenue en température (plus de 100 C) et sa flexibilité. Il est très utilisé pour les éléments de carrosserie automobile et l électroménager mais aussi les moquettes, la vaisselle pour fours à micro-ondes Les polystyrènes Les usages multiples Cette famille de plastiques comprend le polystyrène, le polystyrène choc et le polystyrène expansé. Ils permettent de fabriquer des objets aux formes nettes et détaillées, aux angles vifs, mais leur résistance chimique, thermique et

4 mécanique est faible. Il est donc utilisé dans le jetable : vaisselle, pots pour les produits alimentaires mais aussi dans l électroménager audiovisuel et les jouets. Le polystyrène expansé, mousse blanche et rigide, est très utilisé pour l isolation thermique dans le bâtiment et dans l emballage, ainsi que pour la protection contre les chocs. Il est aussi utilisé pour la construction des décors de cinéma et de télévision. Les thermoplastiques techniques Les polyamides : Souplesse et résistance Les polyamides comprennent les plastiques (sous forme de fibre ou de masse à mouler) comme l universellement connu nylon (polyamide 6.6) dont les premières utilisations (bas, parachutes) remontent à la fin de la seconde guerre mondiale. Entrent également dans ce groupe les plus courants des plastiques techniques, les polyamides 6,11 et12 (rilsan) qui associent une bonne tenue mécanique à une endurance aux chocs et une excellente résistance aux hydrocarbures. On les trouve sous forme de pièces mécanique comme les engrenages, les soupapes, les joints ils constituent encore les briquets jetables ou les bandes velcro. Les polycarbonates : Protection et transparence Ce polymère possède la double propriété d être transparent et d assurer une excellente résistance aux chocs. IL est utilisé entre autres pour les vitres blindées (voitures, guichets de banque ) et les boucliers de protection. Les polyesters saturés : L usage au quotidien Surtout connus comme fibres textiles (tergal par exemple) ces matériaux permettent la réalisation de pièces techniques pouvant supporter des températures de 150 C. Le polyéthylène téréphtalate est également utilisé dans la fabrication des bouteilles pour boissons gazeuses et le polybutylène téréphtalate renforcé de fibre de verresert dans l automobile, l électroménager et la construction électrique. Les polyacétals ou polyoxyméthylènes (POM) : La résistance à l effort Utilisés sous forme de petites pièces mécaniques pouvant subir un effet ressort : engrenages, dérailleurs, serrurerie, fixations de ski, les polyacétals possèdent une bonne résistance mécanique et une excellente dureté. Le grand public a très souvent l occasion de les voir sous forme de flacons de cosmétiques ou d embllages d aérosols. Les polyfluorés :

5 Anti-adhérence et anticorrosion Le plus connu de ce matériaux est le polytétrafluoroéthylène qui a fait le succès de la poêle Tefal. Les polymères fluorés possèdent la meilleure inertie chimique de tous les matériaux et sont anti-adhérents. Ils sont spécialement employés pour la robinetterie en contact avec les produits corrosifs. Le polyfluorure de vinylidène entre dans la composition de nombreux revêtements anticorrosion, notamment dans l automobile et l industrie chimique. Les polysulfures : La haute performance Ce sont des plastiques qui se distinguent par une excellente tenue dans le temps et par une remarquable stabilité thermique. Citons le polysulfone lancé en 1966 et le plysulfure de phénylène en Leurs principales applications concernent l électronique, les pièces pour l aviation, l aérospatiale ou l automobile, les revêtements sur métaux ou le matériel chirurgical stérilisable. Les polyphénylènes oxydes La résistance dans la haute technologie Ils sont utilisés en alliage avec du polystyrène ou du polyamide. Ces thermoplastiques techniques de pointe, sont à la base d importantes pièces de carrosserie sur certaines séries automobiles de prestige. Les autres thermoplastiques Les acryliques : La transparence et la brillance Transparent, le polymétacrylate de méthyle (PMMA) est utilisé pour les hublots d avion, les verres de contact et la fibre optique. Il peut aussi être coloré et servir alors dans la fabrication de baignoire, d enseignes lumineuses un de ses atouts est son bon comportement aux UV, point généralement faible des autres plastiques. Les styréniques : ABS et SAN : les usages multiples Les ABS constituent des polymères intermédiaires entre les plastiques de grande consommation et les plastiques techniques. Leur tenue aux chocs et à l abrasion est leur point fort. On s en sert pour les tableaux de bord, les poignées, les carénages d appareils électroménagers Le SAN est un polystyrène modifié où l acrylonitrile améliore la tenue aux chocs, aux graisses, d où son intérêt dans l automobile. Les thermodurcissables La forme que l on donne à ces plastique en les chauffant et irréversible. Ils

6 représentent 20% du marché mondial des plastiques. Capables de supporter des températures supérieures à celles de thermoplastiques, leur transformation est néanmoins plus longue. Les phénoplastes et les aminoplastes : Les premiers synthétiques Le premier plastique synthétique commercialisé a été un phénoplaste : la bakélite. Cette matière est toujours utilisée notamment pour tous les manches de casseroles, les supports de circuits imprimés. Quant aux aminoplastes, en lus des stratifiés (type formica) pour mobilier, on les utilise pour la fabircation de contreplaqués ou de panneaux de particules Les époxydes et polyépoxydes : L adhésion Ces résines donnent des colles très résistantes (colles pour aquariums). Ils permettent également la réalisation de composites haute performance. Coulés on les emploie comme revêtements de sol des parkings, peintures ou vernis dans l automobile (revêtement anticorrosion) l électroménager, les circuits imprimés Les silicones : La plastique! Vaste famille de polymères aux propriétés exceptionnelles et aux applications nombreuses, ils se présentent sous formes d huiles, de gommes et de résines. Les huiles sont utilisées comme lubrifiants, additifs pour les peintures, fluides d amortissement les gommes servent de joints d étanchéité, de mastics d isolation, et constituent des moules très complexes et précis. Les résines sont employées pour les revêtements anti-adhérants, l isolation électrique Les silicones ont aussi des applications médicales : prothèses de seins, prises d empreintes dentaires Les polyuréthannes : Les mousses Ces polymèrs sont surtout utilisés sous forme de mousses rigides, souples ou semi-rigides. Les mousses souples et semi-rigides servent de matériau d amortissement dans les sièges, la literie, les garnitures automobiles, les semelles expansées, les chaussures de ski. La mousse rigide est essentiellement employée dans l isolation thermique. Les polyimides : Le sang froid La caractéristique essentielle des polyimides est leur exceptionnelle tenue en température. Poudres à mouler, elles résistent à plus de 300 C pendant plusieurs centaines d heures et sont utilisées pour des pièces techniques des secteurs de pointe comme l aéronautique, le nucléaire ou l électronique.

7 Les polyesters insaturés : La brillance Issus de travaux de recherche datant de 1937, les polyesters insaturés qui évoquent encore pour certains le mobilier vernis polyester ont pris leur véritable essor dès Matrice utilisée dans les composites renforcés par des fibres de verre, les polyesters insaturés se sont imosés dans de nombreuses applications (carrosserie automobile et pièces sous capot, coques de bateaux, pièces pour électricité et électroménager ) grâce à un excellent compromis coût/performance (stabilité thermique, aspect de surface ). Les procédés de fabrication des plastiques Les matières plastiques sont fabriquées à partir de produits de base comme l éthylène, le styrène, le propylène, le chlorure de vinyle ou l acrylonitrile, extraits le plus souvent de pétrole ou de gaz. On synthétise des polymères (polyéthylène, polypropylène ) qui se présentent sous forme de résines plus ou moins visqueuses, de poudres, ou encore de granulés. Pour obtenir un objet plein ou creux, un film ou une mousse, il faut mettre en œuvre ces polymères vierges. C est la transformation. Dans la transformation des thermoplastiques, la chaleur et la pression sont les principaux agents intervenants. Les polymères vierges thermodurcissables ne sont pas complètement polymérisés. Leur transformation, qui fait intervenir chaleur et pression, mais aussi des produits chimiques en faibles quantités, achève la polymérisation et aboutit à des pièces finies et définitivement durcies. La transformation des thermoplastiques : principaux procédés L extrusion Une filière d extrusion de tubes ou profilés en coupe Ce procédé de mise en œuvre en continu permet de transformer les poudres et granulés en tubes ou gaines, profilés, films ou plaques dont la longueur n est pas limitée.

8 Extrusion gaine On introduit la matière dans un cylindre chauffant à l intérieur duquel un vis sans fin la pousse. En avançant, la matière fond, se comprime, puis passe à travers une filière dont la forme est celle du produit à fabriquer. Celui-ci est ensuite éventuellement traité pour acquérir certaines propriétés, puis refroidi. En utilisant plusieurs machines conjointement, on réalise des produits constitués de différentes matières sous forme de couches. Cette co-extrusion permet de combiner les propriétés de plusieurs matériaux. L extrusion est également employée pour le revêtement des fils et câbles électriques. Une autre variante du procédé, l estrusion-soufflage, permet de fabriquer des corps creux comme les bouteilles, les flacons, les réservoirs d essence. On extrude un tube qu on enferme dans un moule froid à la sortie de la filière. De l air est injecté dans le moule et le tube se plaque sur ses parois où il est brutalement refroidi. Le corps creux est ensuite démoulé. L extrusion est un procédé de fabrication à haute cadence, peu coûteux et qui permet d obtenir des formes très diverses. Extrusion soufflage L injection

9 Le moulage par injection, procédé de mise en œuvre discontinu, transforme les poudres et granulés en pièces aux formes variées, des plus simples (seau, boîte) aux plus complexes (engrenage, pièces électriques). On retrouve, comme dans l extrusion, le cylindre chauffant pour ramollir la matière et la vis sans fin qui la pousse. Mais la matière est introduite sous pression dans un moule. Au contact des parois froides de celui-ci, elle se solidifie en forme, puis peut être démoulée. On effectue des injections multicolores ou multimatières avec plusieurs machines. Machine d'injection et vue sur l'emplacement où sera fixé le moule. L injection-soufflage, qui fonctionne sur le même principe que l extrusionsoufflage, permet de créer des surépaisseurs là où les contraintes seront les plus importantes. L injection est destinée aux grandes séries (grande cadence de production) pour des produits d une finition très précise. Injection soufflage

10 Le calandrage Ce procédé de transformation en continu aboutit à des feuilles ou des films. Il permet de doubler ces feuilles ou ces films d un support textile ou papier. Il consiste à faire passer la matière à l état pâteux entre deux cylindres chauffants écartés de l épaisseur désirée. C est le principe de la pâte à tarte. A la sortie de la calandre, le produit passe dans un refroidisseur, puis est éventuellement enroulé de bobines. Le calandrage est surtout appliqué au PVC et permet d obtenir des feuilles et films d un très bel aspect de surface et d une très grande régularité d épaisseur, utilisés comme revêtements de sol ou mur, ou dans la fabrication d emballages thermoformés, de nappes, d articles de maroquinerie ou d objets gonflables. Le rotomoulage Le rotomoulage est utilisé pour la fabrication d objets creux de grandes dimensions ou de formes complexes et pour les petites séries. On introduit le polymère dans un moule que l ont fait tourner dans toutes les directions pour que la matière couvre toute la paroi, puis on chauffe pour la gélifier et enfin, on refroidit. On fabrique ainsi les têtes de poupée, des citernes, des objets présentant une fine décoration en relief. Ce procédé existait déjà chez les confiseurs pour la fabrication de petits objets en chocolat. Il est économique et permet la réalisation de pièces monoblocs, cependant il est assez lent et ne s adresse qu à un petit nombre de plastiques (PVC, polyéthylène, polyamides). Pour en savoir plus sur le rotomoulage : L enduction

11 Cette technique consiste à imprégner superficiellement un support avec une matière plastique sous forme de pâte. On dépose le polymère sur le support à l aide d un rouleau enducteur, puis on égalise l épaisseur en faisant défiler le support enduit sous une lame métallique. C est le principe de la pâte à crêpes. On peut procéder à plusieurs enductions successives pour obtenir des effets variés : couches protectrice, puis couche d aspect, par exemple. Les applications type de ce procédé sont les tissus enduits pour sièges auto, les bagages, les vêtements, les chaussures, l ameublement, la toile cirée Le thermoformage La modification primaire des plastiques procède des liquides, poudres ou granulés et les transforme en objets ou en semi-produits. Les semi-produits subissent une transformation secondaire qui les assemble ou modifie leur forme. Une technique est principalement utilisée pour cette seconde mise en œuvre : le thermoformage. On part ici d une feuille rigide pincée dans un cadre que l on chauffe. Une fois la feuille ramollie, elle est gonflée à l air, puis plaquée, par aspiration de l air, sur un moule froid dont elle épouse le relief. On fabrique de cette façon les pots de yaourts, les couvercles transparents de coffrets de présentations, les blisters, les masques, les coques de valise La transformation des thermodurcissables : principaux procédés Les thermodurcissables étant très différents des thermoplastiques, les procédés de transformation sont modifiés ou utilisent des principes différents. De plus, les thermodurcissables sont rarement transformés purs. Ils sont, le plus souvent, chargés ou renforcés au moment de la mise en œuvre. La compression transfert Cette technique permet d obtenir des pièces de formes très diverses. La compression consiste à introduire la poudre ou les granulés à mouler dans un moule chauffé et à y exercer une pression. Sous l action de la chaleur et de la pression, la matière fond et cuit dans le moule. Pour réaliser des pièces complexes à parois minces, on dépose d abord la matière dans une chambre de transfert pour la fondre. Elle est ensuite transférée à l état visqueux dans le moule où elle se solidifie définitivement. On fabrique par compression-transfert des isolants électriques, des interrupteurs,des têtes d allumeur pour l automobile, des manches de casseroles et de fers à repasser Le pressage Le pressage se fait à partir de feuilles de papier ou de tissu imprégnés de résine. Il sert principalement à la fabrication de stratifiés et de lamifiés. Les feuilles sont empilées entre les plateaux chauffants d une presse. Chaleur et pression fondent puis cuisent la résine. On obtient un produit rigide facilement démoulable. Ce procédé procure des surfaces planes et lisses qu on peut aisément décorer. Ses applications sont surtout les lamifiés décoratifs pour mobilier, les isolants électriques pour l industrie, les circuits imprimés. Dans ce dernier cas, le stratifié est recouvert d une pellicule de cuivre. L injection Comme pour les thermoplastiques, le procédé consiste à introduire une résine dans un moule chauffé. L opération se fait sous faible pression et le moule est,

12 dans la plupart des cas, préalablement rempli de renforts. On fabrique ainsi des planches à voile, des carrosseries automobiles ou des paraboles de projecteurs, par exemple. La régulation de la température est délicate (le produit peut durcir très vite si l on chauffe trop), mais cette technique offre de grandes cadences de production et des structures très homogènes au bel aspect. Le contact et la projection Le contact est une technique simple où l on dépose manuellement et alternativement une couche de renfort (en général, des fibres ou du tissu) dans un moule jusqu à l épaisseur désirée. Chaque couche de renfort est parfaitement imprégnée de résine pour assurer la cohésion de l ensemble. La polymérisation se fait à température ambiante. Ce procédé permet de réaliser des pièces de grandes dimensions (coques de bateau, cuves, fosses septiques), mais d épaisseur peu uniforme et à faibles cadences. La projection est une version mécanisée du contact. On projette au pistolet la résine mélangée aux fibres coupées sur le moule. Les cadences sont plus élevées et les applications sont les mêmes. Quelques autres techniques de transformation des thermodurcissables sont utilisées, comme la pultrusion qui consiste à faire passer des fibres imprégnées de résine dans ne filière chauffée où a lieu la polymérisation. On obtient, après refroidissement, un profilé rigide produit en continu. L enroulement filamentaire, quant à lui, permet de fabriquer des cuves à vin, à cidre, à lait, des camions citernes, des hottes d aspiration, des tubes pour oléoducs. On enroule sur un mandrin de forme appropriée des fibres de renfort imprégnées de résine et on polymérise le produit dans une étuve. Projection contact La transformation des mousses : principaux procédés Les mousses de polyuréthannes Pour obtenir une mousse de polyuréthannes, il suffit de mélanger les composants de base à l aide de machines doseuses soit sur un tapis, soit dans un moule fermé avant que l expansion ne commence, pour obtenir des formes. Le choix des composants de départ et leur dosage détermine les caractéristiques de la mousse. L application type de ces produits est l isolation thermique in situ de réfrigérateurs, conélateurs, camions frigorifiques, chambres froides, mais aussi les matelas, les assises et dossiers de siège. Le polystyrène expansé La transformation a lieu en deux temps. Tout d abord, on provoque le

13 gonflement de granulés de polystyrène par dilatation des gaz qu ils renferment sous l action de vapeur d eau. Les granulés gonflés sont ensuite introduits dans un moule chauffé où ils continuent de gonfler et se collent les uns aux autres. On utilise le polystyrène expansé pour l isolation thermique dans le bâtiment et l emballage, ainsi que pour fabriquer des maquettes et décors. On peut enfin obtenir des mousses de PVC, de polyéthylène, d ABS ou de phénoplaste en leur ajoutant des agents gonflants qui libèrent des gaz au moment de la polymérisation du plastique et provoquent la formation d innombrables petites bulles dans le matériau final.