D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010. I) Les Matériaux Plastiques 1. Introduction - Classifications des polymères par origines : On distingue alors:

D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

I) Les Matériaux Plastiques1. Introduction - Classifications des polymères par origines :

On distingue alors:- les polymères naturels (l’os, le cuir…) ,- Les polymères artificiels, (modification chimique des polymères naturels)- les polymères synthétiques, issus de la chimie macromoléculaires.

Ce cours est principalement dédié à l'étude de cette dernière catégorie.

Les "plastiques" ou "matières plastiques" sont définis par la norme ISO 472 comme étant "toute matière contenant, comme ingrédient essentiel, un "haut polymère".


I) Les Matériaux Plastiques1. Introduction - Classifications des polymères par origines :

Par "haut polymère", et plus généralement "polymère", on entend :

"produit constitué de molécules caractérisées par un grand nombre de répétitions d'une ou plusieurs espèces d'atomes ou de groupes d'atomes (motifs constitutionnels), reliés en quantité suffisante pour conduire à un ensemble de propriétés qui ne varient pratiquement pas avec l'addition ou l'élimination d'un seul ou d'un petit nombre de motifs constitutionnels".

C'est un "produit constitué de molécules de polymère de masse molaire élevée".


I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et GénéralitésToute la matière qui nous entoure est composée de particules dont les lois de

comportement sont décrites par les théories atomiques.

Les états d’organisation de la matière sont très variés : - depuis le désordre complet des atomes ou des molécules d’un gaz sous

faible pression, - jusqu’à l’ordre quasi-parfait des atomes dans un monocristal.

Les matériaux sont fréquemment caractérisés par leurs fonctions les plus typiques : matériaux à haute résistance mécanique, conducteur électrique ou non, etc…L’objet de ce cours est de déterminer les caractéristiques des matériaux plastiques en comprenant les raisons, tant au niveau des arrangements inter-atomiques, qu’au niveau des traitements, qui sont à l’origine de ces arrangements.


I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et Généralités 2.1 L’ Atome

2.1.1 L’ Atome – ConstitutionLe noyau

- C ’est 99,95 % de la masse de l’atome.- Constitué de nucléons (protons chargés positivement et neutrons non chargés de masse similaire).- Un moment magnétique et un spin (mouvement de rotation sur lui-même selon un axe). - Le noyau est stable (protons et neutrons si bien liés ensemble qu’aucun ne s’en échappe)


En 1931, Ernest Rutherford (G.B., 1871-1937) découvre que l’atome possède un noyau entouré

d’électrons

Atome d’Helium (He)

I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et Généralités 2.1.1 L’ Atome – Constitution

Les électrons

- Ils gravitent autour du noyau sur une ou plusieurs couches (jusqu'à 7 couches dans les éléments actuellement connus). La première peut comporter 2 électrons ; la 2ème 8 ; la 3ème 18, etc.

- Les électrons sont chargés négativement : 1,6.10-19 Coulombs. Par leur rotation (spin), ils acquièrent les propriétés d’un aimant (Caractérisé par la valeur de moment magnétique M).

- Il existe un grand vide dans l’atome. Si, par exemple, cet espace n’existait pas dans l’atome, une tête d’épingle pèserait 100000 t.


Atome d’Helium (He)

I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et Généralités 2.1.2 L’ Atome – Charge électrique totale de l’atomeCette charge est nulle : la charge des protons positifs est équilibrée par celle

des électrons négatifs.

2.1.3 L’ Atome – Nombre atomiqueLe nombre de protons, de neutrons et d’électrons variesuivant les corps, mais dans chaque atome neutre d’un corps déterminé, il y a autant de protons que d’électrons.

Ce nombre de protons (ou d’électrons) est appelé nombre atomique Z. Le total des neutrons et des protons est appelé nombre de masse A. Pour connaître le nombre N de neutrons d’un atome :

N = A - ZExemple : pour le carbone : nombre de masse= 12; nombre atomique= 6 ; et nombre de neutrons= 6 .


I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et Généralités 2.1.4 L’ Atome – L’ Atome et ses liaisonsVoici ci-après les principaux types de liaisons inter-atomiques : Ionique :

S’effectue entre des éléments très électropositifs et très électronégatifs. La liaison résulte de l’attraction électrostatique qui provoque le don d’un ou plusieurs électrons d’un atome à un autre. Les caractéristiques principales sont : mauvaise conductivité électrique, fragilité, transparence, et haut point de fusion.

Ex: NaCl, Al2O3.


I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et Généralités 2.1.4 L’ Atome – L’ Atome et ses liaisons Covalente :

Cette liaison, à l’opposé de la liaison ionique, a lieu entre des éléments proches de la classification périodique. Les atomes mettent en commun des électrons pour compléter leurs couches périphériques. Les caractéristiques principales sont : mauvaise conductivité électrique, très grande dureté, haut point de fusion. Ex : Si, Carbone.

De Van der Waals :C'est la liaison la plus faible de toute. Dans une liaison covalente, la paire d'électron se déplace. Les deux atomes vont donc porter en alternance et de façon transitoire, une charge positive et une charge négative. Une autre molécule (ou une autre partie de la molécule) va donc être très faiblement attirée par cette charge transitoire. Cette liaison est très faible, mais dans le cas des macromolécules, leur nombre élevé (dû au nombre élevé d'atomes impliqués) va produire au total une force réelle.


I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et Généralités 2.2 Molécules et Macromolécules

La chimie et la physique macromoléculaire, autrement appelée science des polymères, s'intéressent au domaine particulier des molécules associées sous forme de macromolécules.

2.2.1 Définition de la moléculeUne molécule est l'unité la plus petite qu'il est possible d'obtenir en divisant un corps pur en fractions de plus en plus petites, tout en conservant les propriétés chimiques et physiques caractéristiques du corps. Une molécule peut renfermer un atome ( He, par ex.), deux atomes ( O2 ), plusieurs atomes (alcool éthylique de formule CH3CH2OH, par ex.) et même des millions d'atomes (ADN, par ex.).…

Les plastiques, ou "polymères", sont élaborés par synthèse chimique (construits chimiquement) à partir de molécules de base, appelées monomères.


I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et Généralités 2.2.2 Définition du monomère

Les monomères sont les unités chimiques de base, ou molécules, des matières plastiques. Ils sont construits autour des atomes de carbone (C), et contiennent des atomes d'hydrogène (H), d'oxygène (0), d'azote (N), chlore (Cl), soufre (S), fluor (F)...


I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et Généralités 2.2.3 Définition du polymère

Les plastiques désignent une famille de produits constitués de polymères (ou macromolécules) caractérisées par la répétition, un très grand nombre de fois, de monomères, cet assemblage crée un ‘‘motif ’’ appelé motif constitutif.

Cet assemblage est obtenu par l'action de la pression, de la chaleur et d'un catalyseur. Une telle macromolécule peut contenir plusieurs centaines à plusieurs millions de monomères.


I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et Généralités 2.3 Présentation des polymères

Famille la plus utilisée : ils représentent près de 90 % des applications des matières plastiques car :

- moins fragiles,- plus faciles à fabriquer - cadences élevées- des formes plus complexes que les thermodurcissables.- sous forme rigide ou souple, compact ou en faible épaisseur, sous forme de

feuille très mince ( film ... ), de revêtement, expansé ou allégé...


I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et Généralités 2.3 Présentation des polymères

• Propriétés principales :

Avantages : Ils peuvent, en théorie, être refondus et remodelés un grand nombre de fois tout en conservant leurs propriétés. Insensibles à l'humidité, aux parasites, aux moisissures ( sauf polyamides ) ils peuvent être fabriqués dans une gamme de couleurs très étendue.

Inconvénients : fluage élevé, coefficient de dilatation linéaire élevé ( entraînant un retrait important au moment du moulage), combustible, sensibles aux ultraviolets, électrostatiques(qui attirent les poussières ).


I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et Généralités 2.3.1 Les thermoplastiques• Les familles de thermoplastiques :

- Thermoplastiques de grande diffusion : 70 à 80 % du total des plastiques mis en œuvre. On y trouve les polyéfines ( polyéthylène, polypropylène ), le polystyrène et les PVC ( polychlorure de vinyle ).

- Thermoplastiques techniques : Les polyamides, proche du nylon textile, sont les plus utilisés du groupe : ils possèdent de bonnes caractéristiques mécaniques, et une bonne tenue aux températures.

- Thermoplastiques hautes performances : Plus coûteux, ils sont caractérisés par leur résistance à la chaleur et par des propriétés électriques élevées. Les résines fluorées ( PTFE, PCTFE, PVDF ) sont les plus classiques ; elles résistent à presque tous les agents chimiques, ne vieillissent pas, ne brûlent pas, ont un bon comportement face au frottement.


I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et Généralités 2.3.2 Les thermodurcissables• Présentation :

Leur caractéristique principale réside dans le fait qu'ils ne se ramollissent pas et ne se déforment pas à la chaleur. Une fois créées, il n’est plus possible de remodeler leurs formes par chauffage.

Exemples : Phénoliques, époxydes …

Au moment de la mise en œuvre, ils ramollissent dans un premier temps, puis durcissent de manière irréversible sous l'action prolongée de la chaleur. On parle alors de cuisson ou réticulation.


I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et Généralités 2.3.2 Les thermodurcissables• Propriétés principales :

Avantages : Ils présentent une bonne tenue aux températures élevées ( >200 °C ), aux attaques chimiques, une meilleure résistance au fluage que les thermoplastiques ( conservent une meilleure stabilité dimensionnelle dans le temps ), une bonne rigidité pour un prix de matière première peu élevé et faible retrait au moulage.

Inconvénients : principal de ces matériaux tient au fait d'une mise en œuvre moins pratique et plus lente que les thermoplastiques. De plus il est difficilement recyclable.


I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et Généralités 2.3.2 Les thermodurcissables• Les familles de thermodurcissables :

- Les phénoplastes (PF) noirs ou bruns ( « bakélite » ).

- Les époxydes (EP), les polyesters (UP)

- Les polyamides PF(phénoplastes), pour les hautes performances, plus coûteux, ils conservent leurs propriétés mécaniques et électriques au delà de 300 °C- Les silicones SI, qui résistent à la chaleur et ont des propriétés mécaniques élevées.

Remarque: certains plastiques, comme le polyester, existent dans les deux structures, thermodurcissable et thermoplastique.


I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et Généralités 2.3.3 Les élastomères• Présentation :

Famille supplémentaire de polymères qui se caractérisent par une très grande élasticité.

Exemples : Silicones, caoutchouc naturel …

Ils sont obtenus par synthèse chimique, comme les plastiques, et possèdent des propriétés comparables à celles du caoutchouc naturel. Le néoprène ( 1930 ) fut le premier caoutchouc de synthèse.

Applications : pneumatiques, courroies, tapis, tuyaux, amortisseurs, joints d'étanchéité, revêtements divers, pièces mécaniques, chaussures...


I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et Généralités 2.3.3 Les élastomères• Propriétés principales :

La propriété la plus remarquable est l'élasticité ou la capacité à s'allonger sans se rompre ( A% très élevé, jusqu'à 1000 % ). A l'opposé le module d'élasticité longitudinal E reste très petit ( < 10 N / mm² : près de 200 000 pour les aciers ) traduisant une faible rigidité.

• Les familles d'élastomères :

- Elastomères vulcanisés: Ce sont les plus traditionnels. La vulcanisation consiste à incorporer du soufre au caoutchouc et à lui faire subir un traitement thermique afin d'améliorer la résistance tout en maintenant l'élasticité. Ils peuvent être extrudés ou moulés.

- Elastomères thermoplastiques: Plus récents, ils ont les qualités des élastomères vulcanisés haut de gamme avec en plus la simplicité de mise en œuvre des plastiques thermoplastiques (moulage par injection, pas de vulcanisation).


I) Les Matériaux Plastiques2. Rappels et Généralités 2.3.4 Aspects économiques


haute perf.

PLASTIQUEStechniques

Grande diffusion

nickel et alliages

PS/PVC/PE/PP/UF/PUR

alliages de cobalt

fontes grises et aciers E, XC…

bronze

cupro-alu, zinc et alliages

laiton

magnésium et alliages

aciers faiblement alliés

Aciers fortement alliés (inox…)

ABS/polyamide/acétate de cellulose/PMMA/POM

PET/polyesters/epoxy/MT

polyamide

polyamide renforcéPC

PPS renforcé

PTFEpolyimide renforcé

téflon

Prix comparatifs (€/Kg)

2

4

6

8

10

12

Figure 0: Les prix indicatifs des familles de plastiques, comparés aux autres matériaux courants.

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