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Les Matières PlastiquesLes Matières Plastiques
Pr. Philippe ChaumontUFR de Chimie-Biochimie
Les différents matériaux
Matériaux organiques d’origine naturelle ou synthétique.
Matériaux minéraux : verres, ciments, céramiques, métaux.
Matériaux composites et multi-matériaux.
Exposé de Philippe ChaumontExposé d’Alain Domard
Exposé de Myriam Peronnet
Les matériaux organiques
•Polymères synthétiques(les « matières plastiques »)
•Polymères naturels
Historique
1838 : découverte de la cellulose (Payen)
1844 : vulcanisation du caoutchouc (Goodyear)
1846 : découverte de la nitrocellulose (Schonbein)
1907 : découverte des caoutchoucs synthétiques (Hofmann)
1910 : découverte de la Bakélite (Baekeland)A ce moment, on ne sait toujours pas A ce moment, on ne sait toujours pas
ce que sont les polymères !ce que sont les polymères !
Historique II
1919 : Staudinger (le père de la science des polymères) introduit la notion de macromolécules puis découvre de
nombreux polymères
1933 : Polyéthylène haute pression (Fawcett & Gibson)
1938 : Nylon (Carothers)L’essor des polymères commence essentiellementL’essor des polymères commence essentiellement
entre les deux guerres mondialesentre les deux guerres mondiales
Historique III
1942 : théorie des solutions de polymères (Flory & Huggins)
1953 : découverte de la structure en double hélice de l’ADN (Crick & Watson)
1953 : polyéthylène basse pression (Ziegler)
1957 : premiers monocristaux macromoléculaires (Keller)
Etc…
Les polymères
Les polymères sont constitués de « macromolécules », c’est à dire de « grosses » molécules, dont la masse molaire peut dépasser 100 000 g/mol, quand une mole d’eau représente 18 g/mol. Une telle macromolécule peut donc contenir des millions d’atomes
Polyéthylène (amorphe)
Les macromolécules
Ces macromolécules sont formées de
la répétition d’un même
motif tout au long de la molécule
CH2
nCH2
H2C CH2
H2C CH2
CH2
CH2H2C
H2C
CH2
CH2
H2C
Synthèse des polymères
Leur synthèse met en jeux des réactions de polymérisation qui consistent donc à associer ces motifs de répétition par des liaisons covalentes, généralement des liaisons carbone-carbone
poly
mérisa
tion
Monomère(s)
Polymère
Méthodes de synthèse
Trois grandes méthodes :
• Par réaction de polymérisation en chaîne (polyaddition)
• Par réaction de polymérisation par étapes (polycondensation)
• Par modification chimique d’un autre polymère
Synthèse par réaction en chaîne (polyaddition)
H2C CH2n CH2 CH2
n
Éthylène Polyéthylène
H3C
H2C
CH2
H2C
H2C
CH2
CH2 + H2C CH2
n motifs de répétiton CH2-CH2
H3C
H2C
CH2
H2C
H2C
CH2
CH2
(n+1) motifs de répétiton CH2-CH2
Le polyéthylène est souvent utilisé comme film pour emballage
Synthèse par réaction par étapes (polycondensation)
+
O
OH
O
OH OH CH2 CH2 OH
acide téréphtalique diéthylèneglycol
PET
Le PET est un polymère utilisé pour les bouteilles (bouteilles d’eau ou de boissons gazeuses)
(di)acide + (di)alcool donne ester (+ eau)
Réactions « classiques » de la chimie organique, par exemple :
Modification ChimiqueH2C
CH
H2C
CH
H2C
CH
O O O
H2C
CH
H2C
CH
H2C
CH
OH OH OHO O O
CH3 CH3 CH3
poly(acétate de vinyle) poly(alcool vinylique)
Le poly acétate de vinyle est utilisé comme colle (bois). Transformé (partiellement) en alcool polyvinylique
il est utilisé comme agent tensio-actif
Nom des polymères
La nature chimique du motif de répétition détermine le nom du polymère. Celui-ci est souvent également connu sous un nom commercial (Nylon)
polyéthylène
polypropylène
polyester
polyamide
CH2 CH2
n
CH2 CH
nCH3
n
R C
O
O
n
R C
O
N
H
Les polymères à l’état solide
A l’état solide, les polymères sont totalement à l’état amorphe (comme le verre), ou bien en partie
amorphe et en partie cristallisés. C’est cette structure solide particulière qui est à l’origine de leurs propriétés mécaniques.
Les polymères à l’état solide
A cause de la nature macromoléculaire des polymères, ces cristaux sont un peu particuliers, on les appelle des « sphérolites »
Place des matériaux polymères dans l’industrie
Industries des biens intermédiairesStatistiques en 2001
Nombre d'entreprises
0500
10001500200025003000350040004500
pro
duits
min
éra
ux
textile
s
bois
, papie
r,
cart
on
chim
ie,
caoutc
houc,
pla
tiques
méta
llurg
ie,
transfo
rmation
des m
éta
ux
com
posants
Emplois industriels Emplois en Septembre 2003
Habillement et Cuir 110,6Industrie du Textile 98,7Equipement du Foyer 156,5Industrie Automobile 275,4Matériel de Transport 120,8Equipement Mécanique 342,5Equipement Electrique 218,5 1323,0
Bois, Papier, Carton 128,7Fibres, Caoutchouc, Matières Plastiques 219,5Métallurgie et Métaux 363,2Produits Minéraux 143,4Pharmacie, Parfumerie, Entretien 148,8Chimie de Base, Parachimie 343,6 1347,2
Emplois en Chimie « organique »(septembre 2003 en millier)
salariés total : 469
10%
11%
0%
14%
33%
21%
11%Chimie Organique
Parachimie
Fibres Artificielles ouSynthétiques
Caoutchouc
Transformation desMatières Plastiques
IndustriePharmaceutique
Savons, Parfums etEntretien
Domaines d’utilisation
emballageemballagebâtiment bâtiment transporttransport
habillementhabillementmédicalmédical
électrique, électronique électrique, électronique colles, verniscolles, vernisagricultureagriculture
sports, loisirs peinturessports, loisirs peintures
Utilisation
Emballage : bouteilles, sacs, barquettes, flacons, tubes …
Débouché des Emballages Plastiques
65%12%
13%
10%
agro-alimentaire
santé-beauté
produits d'entretien
produits industriels
Utilisation
Bâtiment : profilés, revêtements muraux et de sols, tuyaux, isolation, mobilier …
Tuyaux en PVCTuyaux en Polyéthylène
Utilisation
Transport : carrosserie, bateaux, tableaux de bord, pare-chocs, réservoirs, pneumatiques, ailes et intérieur d’avion, pales d’hélicoptères …
Utilisation
Médical : prothèse, cathéters, compte-gouttes, seringues jetables …
Utilisation
Électrique/Électronique : boîtiers d’ordinateur, téléphones, électroménagers …
Utilisation
Agriculture : films, serres, auge …
Utilisation
Sports/Loisirs : patins, skis, jeux, jouets …
Du polymère au matériau
Production Formulation
Mise en œuvre
ProductionProduction 2001 total : 6076 kT
22%
12%
22%
22%
7%
4%
11%
Polyéthylène Polystyrène et copolymères
PVC Polypropylène
Polymères acryliques Aminoplastes
Caoutchouc synthétiques
Formulation
• Charges• Plastifiants• Stabilisants (anti-UV, antioxydants)• Antistatiques• Lubrifiants• Antichocs• Colorants• Pigments• Retardateurs de Flamme
Formulation : charges
• Charges organiques naturelles (farines de bois, d’écorce, fibres végétales)
• Charges organiques synthétiques
• Charges minérales, poudre métalliques (craie, silice, talc, argiles, alumine, TiO2)
• Verres, poudre de verre et fibres de verre
• Carbone, noir de carbone fibre de carbone
CompositesL’assemblage d’un matériau sous forme de fibre et d’un
polymère forme un matériau composite
Fabrication d’un canoë
Un peu de science-fiction: les composites de (très très) haute performance
Exemple d’application : l’ascenseur spatial (vers 2050-2100 ?)
Objectif : des fibres ayant une résistance à la traction 60 fois supérieure à celle de l’acier
Le moyen : les composites de nanotubes de Carbone
Différents types de polymères
Thermoplastiques
Élastomères
Thermodurcissables
Mise en Œuvre des Thermoplastiques
Les thermoplastiques se présentent généralement sous forme de poudres, de granules ou de produits semi-finis tels que des feuilles ou des pellicules.
Ils fondent sous l’effet de la chaleur et sont mis en forme à l’intérieur d’un moule ou d’une filière. L’objet moulé est ensuite solidifié dans la forme voulue au moyen d’un système de refroidissement. Les résidus de matière pouvant être récupérés, on dit alors que le processus de transformation est réversible. Les thermoplastiques sont donc recyclables.
Mise en Œuvre : injection
La matière plastique, ramollie et mélangée par une vis tournant dans un cylindre chauffant, est injectée sous pression dans un moule fermé refroidi par circulation d’eau. La pièce est ensuite éjectée du moule. Ce procédé permet de fabriquer des pièces aux formes complexes.
Exemples de produits : poubelles, sceaux, boutons, contenants, seringues, pièces électroniques et automobiles, stylos
Mise en Œuvre : extrusion
La résine plastique est chauffée et mélangée dans un fourreau où tourne une vis sans fin. La vis pousse la matière à travers une filière qui donne la forme souhaitée à la pièce. Cette dernière est ensuite refroidie en passant dans un conformateur. L’extrusion est un procédé en continu qui permet d’obtenir des pièces en longueur (tuyaux, profilés …)
Exemples de produits : tubes, tuyaux, profilés de fenêtre, revêtements extérieurs, feuilles de thermoformage
Mise en Œuvre : extrusionExtrusion-gonflage La matière est extrudée pour former un tube au centre duquel est soufflé de l’air comprimé. Un peu à la manière d’un ballon, cet air gonfle le tube et en amincit la paroi qui devient une fine pellicule. En refroidissant, la pellicule est tirée par des mécanismes de traction et enroulée sur un mandrin.
Exemples de produits : films et pellicules pour sacs
Mise en Œuvre : extrusion
Extrusion-soufflage La matière est extrudée sous forme de tube dont le centre est vide. Ce tube, appelé la paraison, est enfermé dans un moule et de l’air comprimé y est soufflé. La pression fait gonfler la paraison jusqu’à ce qu’elle épouse la forme du moule. La pièce est alors refroidie et retirée du moule. Ce procédé est utilisé pour fabriquer des pièces creuses.
Exemples de produits : bouteilles d’eau et de boissons gazeuses, bidons d’essence, contenants d’huile à moteur, fûts
Mise en Œuvre : thermoformage
La matière, sous forme de feuilles, est chauffée et plaquée sur un moule, par succion ou compression, pour obtenir la forme voulue. Ce procédé en est un de seconde transformation.
Exemples de produits : contenants alimentaires, barquettes, cuves de réfrigérateurs, coques de bateaux, boîtiers, capots, enseignes publicitaires
Mise en Œuvre : rotomoulage
La matière, sous forme de poudre, est déposée dans un moule. Le moule est refermé et mis dans un four où il tourne dans tous les sens. En fondant, la matière vient couvrir toute la surface intérieure du moule. Refroidie, la pièce est démoulée. Le rotomoulage permet de fabriquer des produits creux, de petites et grandes dimensions, en petites séries.
Exemples de produits : cuves, réservoirs, fosses septiques, canots.
Mise en Œuvre : calandrage
La matière est poussée à travers une série de rouleaux chauffés tournant en sens inverse. En passant entre ces rouleaux, la matière est aplatie, étirée et mise en forme jusqu’à l’obtention d’une feuille ou d’une plaque ayant l’épaisseur désirée. Le calandrage permet d’obtenir des produits plats de grande dimension. Exemples de produits : revêtement de sols et de murs, nappes.
Mise en Œuvre des Thermodurcissables
Comme leur nom l’indique, les thermodurcissables sont des matières qui durcissent sous l’effet de la chaleur. Ils sont mis en forme dans un moule et l’action de catalyseurs, d’accélérateurs et de chaleur en assurent le durcissement. Les composites font partie de cette famille de matériaux. Une matrice plastique est alors associée à un renfort de fibres (verre, carbone, …) qui chargent et renforcent la matière. On parle aussi de plastiques renforcés de fibres. À l’inverse des thermoplastiques, le processus de transformation des thermodurcissables est irréversible.
Mise en Œuvre : Moulage au contact
Une couche de surface, appelée enduit gélifié (« gel coat »), est d’abord appliquée sur un moule préalablement enduit d’un agent de démoulage. Des
couches de fibres imprégnées de résine sont ensuite déposées. À l’air ambiant ou par un apport de chaleur, la résine durcit et la pièce est démoulée.
Exemples de produits : cuves, carrosseries, bacs, coques de bateau
Mise en Œuvre : RIM
Resine Injection Molding
Des produits réactifs et de la fibre sont injectés dans un moule. La réaction entre ces produits forme la résine.
Exemples de produits : éviers, cabines d’automobiles et de camions, coffrets, panneaux, skis,
Mise en Œuvre : RTM
Resin Transfert Molding
La résine est injectée dans un moule dans lequel la fibre (mat) est préalablement déposée.
Exemples de produits : éviers, cabines d’automobiles et de camions, coffrets, panneaux de signalisation, skis,
Mise en Œuvre : Pultrusion
La fibre, sous forme de fil, est imprégnée de résine et passée dans une filière chauffée qui polymérise le tout. Un profilé rigide, continu, qui peut être taillé aux longueurs désirées, est ainsi formé.
Exemples de produits : profils pour isolants électriques, antennes, articles de sports comme arcs, flèches, cannes à pêche
Mise en Œuvre : Enroulement
La fibre, sous forme de fil, est imprégnée de résine et enroulée, sous tension, sur un mandrin tournant sur son axe. Par des passages répétés, le mandrin est recouvert de fibres. Après polymérisation et retrait du mandrin, on obtient un corps creux.
Exemples de produits : tubes, oléoducs, citernes, silos, arbres de transmission, pales d’hélicoptères, bouteilles de gaz comprimé.
Recherches & Développements
Matériaux à Hautes Performances Matériaux à Hautes Performances
Recyclage des Matériaux Recyclage des Matériaux
Matériaux IntelligentsMatériaux Intelligents
Nanomatériaux et Nanotechnologies Nanomatériaux et Nanotechnologies
Matériaux pour Applications MédicalesMatériaux pour Applications Médicales
Applications Médicales(polymères naturels & synthétiques)
les prothèses les implants dentaires et oculaires les organes artificiels les sutures les tissus synthétiques les greffes les valves cardiaques les dialyseurs et autres appareils médicaux les dispositifs destinés aux diagnostics (puces à
ADN) les instruments jetables (ou non) les systèmes de relargage contrôlés de
médicaments…
Recherches à Lyon
École Doctorale des Matériaux de École Doctorale des Matériaux de LyonLyon
• 14 laboratoires reconnus par le CNRS à l’UCBL, à l’INSA, à l’ECL et à l’ENS.
• 100 étudiants niveau Bac + 5 (DEA)
• 120 étudiants en Thèse dont 40 financés par une allocation ministérielle
Formations Matériaux à l’UCBL
LicenceL3 : Unité d’Enseignement Polymère (Philippe Chaumont)
Licences ProfessionnellesPlasturgie et Matériaux Composites (René Fulchiron)
Transformations des métaux(Myriam Peronnet)
Formations Matériaux à l’UCBL
Master de RechercheMatériaux (Philippe Chaumont)
Masters ProfessionnelsIndustrie des Matériaux (Myriam Peronnet) Formulation et Chimie Industrielle (Pierre Lantéri)
École d’IngénieurISTIL (Jean-Pierre Puaux)
Référence
http://lmpb.univ-lyon1.fr/L1
