Matière plastique
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Technique

Caractéristiques

Les propriétés des matériaux plastiques ne cessent de s'améliorer ; ils ont perdu leur mauvaise réputation.

On constate l'emploi grandissant de pièces en matières plastiques à la place de pièces métalliques, souvent plus onéreuses, plus sensibles à la corrosion, ou plus lourdes. Certaines caractéristiques techniques diffèrent notablement de celles des métaux :

  • la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les liquides...) des matières plastiques non expansées est nettement plus faible que celle des métaux (hors magnésium) : de 0,83 (cas du poly-4-méthyl-pentène-1 désigné par PMP) à 2,15 (PTFE), avec 1,2 comme valeur moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient...). La densité d'un polymère est directement fonction du taux de cristallinité. Par ailleurs, la rigidité et la résistance mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un mouvement, une...) augmentent avec ce taux ;
  • température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) de transformation plus basse : couramment comprise entre 100 °C (le PS est facile à travailler : extrudable dès 85 °C) et 300 °C (le PC est injecté vers 300 °C). Les bioplastiques sont transformés de 160 à 200 °C, contre environ 220 °C pour des compounds ordinaires équivalents ;
  • élasticité plus élevée (jusqu'à 800 % d'élongation à la rupture pour le PEHD) ;
  • thermostabilité des polymères thermoplastiques nettement inférieure à celle des métaux. Rares sont les plastiques résistant à plus de 250 °C pendant de longues périodes dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...). Des modifications structurales, particulièrement parmi les matières thermoplastiques, permettent d'élargir le domaine thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant...) d'utilisation vers les basses ou hautes températures ;
  • module d'élasticité plus faible (le module du PEBD est peu élevé : E~200 MPa ; à l'opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits...), les aminoplastes présentent un module très élevé). Une incorporation croissante de fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) augmente le module d'élasticité et la contrainte à la rupture (ténacité) du composite. La dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement, généralement imperceptible. Dans le cas d'un gaz, il y a dilatation à...) thermique des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) est inversement proportionnelle à leur module de traction. Le coefficient de dilatation (Les coefficients de dilatation mesurent l'augmentation relative de volume d'un système lorsque l'on ne fait varier qu'un seul paramètre, en général la pression ou la température.) des polymères thermoplastiques est supérieur à celui des métaux ;
  • tenue (ou résistance) aux agents chimiques : en règle générale, les polymères résistent aux acides et aux bases [grande inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa vitesse (vectorielle). Ainsi, un corps immobile ou en mouvement rectiligne...) chimique du PTFE et du PE (en raison de sa structure paraffinique)]. Ils sont cependant sensibles aux solvants (bonne tenue du PTFE, PBT et PA-6,6) ;
  • les polymères ont un comportement viscoélastique. En effet, ils démontrent simultanément des propriétés élastiques et un caractère visqueux. Dans ce dernier cas, la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) s'écoule en réponse à une contrainte ;
  • certains plastiques sont des amortissants vibratoires ; exemples : ABS (ABS est un sigle qui désigne :), copolymère bloc SIS [ou poly(styrène-b-isoprène-b-styrène)]... ; intérêt en vibroacoustique ;
  • la plupart des polymères thermoplastiques amorphes non chargés (et non colorés...) sont transparents (PMMA, PC, PS « cristal », etc.) ;
  • certains plastiques manifestent une grande résistance à l'impact (PC, PET, PMMA, etc.) ;
  • certains sont résistants à l'abrasion (PTFE, PVC rigide, polyamides, PET, aminoplastes, etc.). Le PTFE possède un coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace vectoriel,...) de friction particulièrement faible qui lui permet d'être un lubrifiant solide.

Les matrices organiques sont des isolants thermiques et électriques, ainsi que les fibres de renfort (sauf fibres de carbone) :

  • la conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert de chaleur par conduction. Cette constante apparaît par exemple dans la loi de Fourier (voir l’article...) des polymères est environ cent fois plus faible que celle des métaux ; ainsi, beaucoup de matières plastiques, en particulier les mousses, sont utilisées comme isolants ;
  • conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se déplacer librement, autrement dit à permettre le passage du courant...) très faible ; les plastiques servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) traditionnellement pour l'isolation de fils et câbles électriques (PTFE, PEHD).
Caractéristiques physiques moyennes de quelques polymères thermoplastiques usuels.
Code Densité Taux de cristallinité (%) Tg (°C) Tf ou Tr (°C) Tmaxi (°C) Module E (GPa)
ABS
1,04-1,12
0
85-125
105-120
70-85
2,5
PA-6
1,13
50
52
215
85
1
PA-6,6
1,14
50
57
260
90
1,5
PC
1,20
0
150
220-250
120
2,4
PE-HD
0,95
80-95
-110
124-135
90
0,8-1,2
PE-LD
0,92
50-70
-110
100-125
70
0,15-0,3
PET amorphe
1,30
0
65-80
255
100
2,7
PET cristallin
1,40
40
65-80
260
100
4,1
PMMA
1,18
0
105
100
60-90
3
PP
0,91
60-70
-10
165
100
1,3
PS « cristal »
1,05
0
80-100
100
60
3,2
PVC rigide
1,38
0-5
80
100-120
65
2,4

Chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations...) et composition générale

Rappels de chimie macromoléculaire

Les plastiques prêts à l'emploi sont souvent constitués de longues chaînes carbonées. Ils sont en général dérivés de combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel (Le gaz naturel est un combustible fossile, il s'agit d'un mélange d'hydrocarbures présent naturellement dans des roches poreuses sous forme gazeuse.), charbon). Diverses substances (charges, plastifiant(s) et additifs), dont la proportion en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...) peut être majoritaire, sont incorporées lors de la fabrication.

La matière de base (la résine) est un polymère. Les résines des matières plastiques sont issues de produits intermédiaires (éthylène, propylène, acétylène, benzène (Le benzène est un hydrocarbure aromatique monocyclique, de formule C6H6, également noté Ph-H, φ-H ou encore Ar-H. Ce composé organique incolore (il a d'ailleurs le...), etc.) dont les matières premières sont le pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de l’économie industrielle contemporaine, car le...) (notamment grâce au procédé de vapocraquage du naphta), le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) naturel et le charbon.

Un polymère est un système formé par un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de macromolécules. Une chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) polymère est constituée d'un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'unités monomères. La viscosité et la résistance mécanique d'un polymère augmentent avec le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de polymérisation (DP ou n) ; ce dernier définit la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) des chaînes.

Si le degré de polymérisation est supérieur à 3 000, le produit sera une matière plastique ; DP peut atteindre six millions.

Les matières plastiques sont synthétisées par polymérisation de monomères ou de (pré)polymères :

  • les polymères monodimensionnels (linéaires ou ramifiés) résultent de la polymérisation de monomères bivalents ;
  • les polymères tridimensionnels sont formés par polymérisation de monomères dont la valence moyenne est supérieure à deux, ou par réticulation (par voie chimique ou physique) de polymères linéaires.

La polymérisation est un processus important dans l'industrie chimique car les polymères en résultant doivent présenter les propriétés souhaitées, notamment, la durabilité, l'inertie chimique vis-à-vis de nombreux produits, l'élasticité, la transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la lumière. Cette notion dépend de la longueur d'onde de la...) et les résistances mécanique et thermique.

Il existe deux catégories de polymérisations :

  • les polymérisations par étapes, faisant appel à des polycondensations (conduisant par exemple aux polyamides ; la réaction se fait par élimination de molécules simples, surtout l'eau) ou à d'autres réactions (pour produire par exemple les polyuréthanes). Les polymères obtenus contiennent souvent des hétéroatomes caténaires, tels les polyamides avec l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La théorie...) d'azote ;
  • les polymérisations en chaîne. Suivant le type de centre actif, on distingue les polymérisations radicalaires, ioniques ou coordinatives (dans ce troisième cas, le centre actif propageant est un complexe de coordination entre le monomère et un atome de métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des...) de transition tel le titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.) ou le zirconium). Cette seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est...) catégorie concerne essentiellement des monomères vinyliques qui conduisent à des polymères constitués d'enchaînements -C-C-.

Pour améliorer certaines propriétés, les matières plastiques du commerce sont parfois constituées d'une résine de base modifiée par une autre résine ou un élastomère (intérêt de la copolymérisation).
Il n'existe pas de macromolécules bidimensionnelles préparées par synthèse.
Il existe quatre techniques de préparation des polymères : polymérisation en masse, en solution, en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des sédiments. Le fait de suspendre un objet En...) et en émulsion. Exemples : les polymères thermoplastiques PE, PVC et PS peuvent être synthétisés par ces quatre méthodes de polymérisation. La copolymérisation fournissant l'ABS s'effectue le plus souvent par le procédé en émulsion aqueuse, grâce à la formation de micelles.

Formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits homogènes, stables et possédant des propriétés spécifiques, en...) du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) polymère

Elle joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à mastiquer.) un rôle important. Les charges, plastifiants et additifs sont incorporés et dispersés dans la matrice de la résine pour améliorer ses caractéristiques (résistance thermique, au feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.), chimique, aux chocs ou au vieillissement (La notion de vieillissement décrit une ou plusieurs modifications fonctionnelles diminuant progressivement l'aptitude d'un objet, d'une information ou d'un organisme à assurer ses fonctions.), masse volumique (Pour toute substance homogène, le rapport de la masse m correspondant à un volume V de cette substance est indépendante de la quantité choisie : c'est une caractéristique du matériau...), couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).), etc.) ou sa mise en œuvre (souplesse...).

La formulation doit être non toxique. Une fiche de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) de sécurité (FDS) de la préparation doit parfois être fournie à l'utilisateur.

Production de granulés (compoundage, ou compounding en anglais) à partir du formulat (polymère formulé) homogène, au moyen d'un malaxeur-extrudeur et d'une extrudeuse. Les granulés seront utilisés, par exemple, pour le moulage par injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :).

On distingue (liste non exhaustive) :

  • la(les) résine(s) de base : apporter de la cohésion au matériau ;
  • les charges : diminuer le coût de la pièce, améliorer certaines propriétés mécaniques ou des propriétés spécifiques ; jusqu'à plus de 100 % d'incorporation en masse dans le matériau polymère pour certains plastisols. Les améliorations sont d'autant plus marquées que la granulométrie est fine. On relève :
    • charges d'origine minérale (souvent utilisées) en poudre : carbonate de calcium naturel, silices naturelles, silice synthétique (amorphe, agent thixotropique), talc (Le talc est une espèce minérale composée de silicate de magnésium doublement hydroxylé de formule Mg3Si4O10(OH)2, pouvant contenir des traces de nickel,...), argile (L'argile (nom féminin) est une roche sédimentaire, composée pour une large part de minéraux spécifiques, silicates en général...), kaolin, noir de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), graphite, barite (d~4,4), ferrite de baryum, etc.,
    • charges organiques : farine de bois (faible coût) ou d'écorce (L'écorce est le revêtement extérieur du tronc, des branches et des racines des arbres, et plus généralement des plantes ligneuses.) de fruits, pâte de cellulose, amidon (L'amidon (du latin amylum, non moulu) est un glucide complexe (polyoside) composé de chaînes de molécules de D-Glucose. Il s'agit d'une molécule de réserve énergétique pour les végétaux...) (améliore la biodégradabilité), poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille inférieure au dixième de millimètre...) élastomère (antichoc), etc.,
    • charges métalliques : rendre la matrice organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés...) partiellement conductrice (ajout de poudres ou paillettes d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec...), cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée...), zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.), etc.),
    • charges renforçantes fibreuses : améliorer les caractéristiques mécaniques, la tenue thermique et la stabilité dimensionnelle du matériau composite (Le matériau composite est un assemblage d'au moins deux matériaux non miscibles (mais ayant une forte capacité d'adhésion). Le nouveau matériau...) (diminution du retrait) (fibre de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué...), mica...),
    • charges renforçantes non fibreuses ; les charges sphériques les plus utilisées sont les « microbilles » de verre creuses : allègement (car billes creuses), meilleures rigidité et tenue en compression de la résine chargée,
    • nouvelles applications :
      • argile nanométrique (très fine), incorporée jusqu'à 5 % (pour nanocomposites et emballages de bouteilles),
      • céréales : améliorer la recyclabilité (jusqu'à 50 % d'incorporation),
      • lin : augmenter la dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et pour l'eau.) du polypropylène ;
  • le(s) plastifiant(s) : diluant(s) peu volatil(s) de faible masse molaire, à l'état solide, ou à l'état liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) (plus ou moins visqueux) ; rendre en particulier le composé obtenu plus flexible, plus résilient, diminuer la température de transition vitreuse et la température de mise en œuvre ; ajouté(s) en proportion variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un...) (d'une faible proportion jusqu'à 50 % d'incorporation dans certains plastisols) (phtalates, adipates, sébaçates, phosphates, polyesters, etc.) ;
  • les additifs.
Additifs

En général, ils accroissent notablement une propriété spécifique et sont incorporés à faible proportion. Nombre d'entre eux n'ont pas fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est...) d'une évaluation complète de sécurité en termes de toxicologie ou d'écotoxicologie (en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme...) par l'EFSA). Faute de réglementation internationale et dans l'attente de l'application du règlement REACH, ils sont essentiellement autorisés et contrôlés au niveau national. En Europe, la liste d'additifs de la Directive 2002/72/EC concernant les matières plastiques et des articles qui entrent en contact avec des produits alimentaires deviendra une liste positive (les produits non listés seront interdits) au 1er janvier 2010. Une liste provisoire existe jusqu'à cette date.

Exemples d'additifs :

  • système de réticulation (pour synthétiser des polymères tridimensionnels) : permettre la formation d'un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un...) tridimensionnel (réticulation) à partir de polymères linéaires ; contient durcisseurs, catalyseurs (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits,...), accélérateurs, etc. ;
  • stabilisants : retarder la dégradation du polymère ; stabilisants au dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2, qui est à l'état de gaz aux conditions normales de pression et de...) (antioxydants ; tels certains phénols à encombrement stérique ou la diphénylamine ; pour les ABS, PE, PS, etc.), à l'ozone (L’ozone (ou trioxygène) est un composé chimique comportant 3 atomes d’oxygène (O3). Sa structure est une résonance entre trois états. Métastable aux conditions ambiantes, l’ozone a tendance à...) (antiozonants ; concerne par exemple les polymères issus du butadiène), stabilisants thermiques pour la mise en œuvre et pour la résistance à la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) en utilisation (pour les PVC, PMMA...), lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière...) (anti-UV ; tels les absorbeurs UV et les désactivateurs) ;
Des additifs ignifugeants sont inclus dans les résines de composants électriques ou électroniques. Facilité de transformation, tolérances serrées, rigidité et tenue en température constituent des contraintes à respecter, suivant l'application.
  • ignifugeants : réduire ou empêcher les phénomènes de combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.) (jusqu'à 10 % d'incorporation) (alumine hydratée, phosphonates...) ; indispensables chaque fois que la sécurité est en jeu car la plupart des matières plastiques sont particulièrement inflammables ; doivent être stables dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), peu ou pas toxiques ;
  • agents gonflants : obtenir un produit-mousse (composé cellulaire peu dense, la densité peut atteindre 0,005) ; un gaz peut être libéré par la décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès l'instant...) chimique de l'agent sous l'action de la chaleur (isolation, sièges et volants d'automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de...), etc.) ;
  • lubrifiants : faciliter la mise en œuvre en augmentant le glissement (jusqu'à 2 % d'incorporation) (cires, stéarate de calcium...) ;
  • promoteurs d'adhésion : améliorer l'adhésion sur le verre, les fibres de verre ou sur un métal (silanes, titanates, composés contenant des groupements polaires, etc.) ;
  • colorants (pigments solides insolubles dans le polymère, tels le noir de carbone ou les oxydes métalliques ; ou colorants organiques solubles dans le polymère) : donner une couleur ;
  • agents antistatiques : s'opposer aux dépôts de poussières en rendant le plastique conducteur en surface ; en effet, la plupart des polymères sont de faibles conducteurs électriques ;
  • fongicides et bactéricides : résister à l'attaque des micro-organismes (asepsie), surtout en milieu humide ;
  • solvants : pour peintures (enduction), adhésifs...

Certains constituants sont multifonctions.

Propriétés

Propriétés thermiques

Relation structure-propriétés : chaînes linéaires (cas des polymères thermoplastiques, schéma de gauche) et réseau de molécules (thermodurcissables, à droite).

On peut classer les polymères en deux types, en fonction de leur comportement à la chaleur : les thermoplastiques (polymères linéaires, ramifiés ou non) et les thermodurcissables [polymères tridimensionnels (réticulés)] :

  • portés à une température suffisante (au-dessus de leur température de transition vitreuse Tg ou de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une...) Tf), les polymères thermoplastiques se trouvent à l'état « fondu » (état fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines conditions...) ou déformable) et sont donc susceptibles de s'écouler sous l'action d'une contrainte. Cela permet leur mise en forme au moyen des techniques habituelles (thermoformage, extrusion, injection, etc.). L'opération peut se répéter plusieurs fois ;
  • les polymères thermodurcissables durcissent (réticulent) lors d'un premier chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) (ou éventuellement à température ambiante). Dans le domaine des peintures, c'est une propriété très souvent mise à profit. Un apport de chaleur peut déclencher une réaction de polymérisation tridimensionnelle qui crée des pontages entre les chaînes de polymère et durcit de manière irréversible le matériau.

Propriétés mécaniques

Les polymères thermodurcissables sont souvent rigides et fragiles tandis que les polymères thermoplastiques et les élastomères montrent une résistance mécanique médiocre très affectée par la température.

Pour ce qui concerne la structure moléculaire, les matériaux polymères solides sont soit :

  • semi-cristallins [présence de zones cristallines (cristallites et sphérolites) et existence d'un intervalle de fusion étroit qui permet une transition rapide de l'état solide ou pâteux à l'état fluide, par élévation de température], à morphologie hétérogène (exemples : PE, PPi, PA, polyesters thermoplastiques, POM [(-CH2-O-)n], PTFE) ;
  • soit amorphes, montrant un ramollissement progressif par élévation de température (PS et ses copolymères, PMMA, PC, PVC, etc.).

Remarque sur l'influence de la tacticité : un polymère atactique (PMMA, PS...), dont la chaîne macromoléculaire présente une forme géométrique irrégulière, ne peut pas cristalliser, contrairement à un polymère isotactique ou syndiotactique.

La structure des polymères est reliée aux propriétés thermomécaniques. Par exemple, lors de la mise en œuvre par injection, les plastiques amorphes sont plus tolérants [process plus aisé, retrait (shrinkage en anglais) plus faible au refroidissement] que les semi-cristallins (ces derniers ont une prédisposition à cristalliser).

Le taux de cristallinité d'un polymère influence les propriétés mécaniques (le module d'Young augmente lorsque le taux de cristallites augmente. Inversement la limite de déformation élastique diminue).

On admet en général que les propriétés d'un plastique technique sont optimales lorsque la cristallinité moyenne permet de combiner la résistance mécanique et thermique de la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) cristalline à la résilience de la phase amorphe (pratiquement 50 à 60 %.

La plupart des polymères thermoplastiques ne sont pas utilisés au-dessus de 120 °C, température à laquelle se produit un ramollissement (pour les amorphes) ou une fusion (pour les semi-cristallins), qui supprime les propriétés mécaniques. Les polymères thermoplastiques amorphes sont utilisés en dessous de leur Tg, à l'état vitreux. En principe, les matières thermodurcissables ont une meilleure tenue thermomécanique (à la chaleur, au feu, au fluage, faible retrait, etc.) et chimique que les thermoplastiques. Les meilleurs thermostables sont des thermodurcissables.

Lorsque les matériaux plastiques sont observés en service, on se rend compte qu'ils sont soumis à des contraintes qui provoquent des déformations pouvant dans certains cas conduire à la rupture. Le comportement en service des matériaux définit leurs propriétés d'usage.

Il est important de connaître les propriétés intrinsèques (inhérentes aux matériaux) afin de faire un choix judicieux de la matière la plus apte à remplir les fonctions qui lui sont assignées. La résistance des matériaux est la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large....) qui va, à partir de propriétés propres à chaque matériau, définir les caractéristiques et conditions d'utilisation de chacun.

Les propriétés mécaniques font partie des propriétés intrinsèques des matériaux et sont définies à partir d'essais comparatifs, normalisés. En général, on utilise les normes ISO, ASTM et DIN, ou des normes « maisons » lorsque les tests sont directement liés aux propriétés d'usage.

Les propriétés mécaniques sont ensuite utilisées pour prédire les propriétés finales des objets finis. Cependant, certaines caractéristiques structurales liées à la transformation des matières plastiques, telles le degré de cristallinité, l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) des chaînes macromoléculaires, ou les tensions internes résultant des conditions de mise en œuvre et de refroidissement, peuvent influencer les propriétés de l'objet. Ces propriétés sont appelées propriétés de transformation.

On peut résumer les propriétés du matériau comme suit :

  • propriétés intrinsèques (propres au matériau) ;
  • propriétés de transformation (fonction des méthodes et conditions de mise en œuvre) ;
  • propriétés d'usage (définies par les conditions d'utilisation).

Un grand nombre d'essais mécaniques utilisés pour caractériser les matières plastiques découle des techniques d'analyse des métaux telles la mesure du module d'élasticité, de la résistance à la traction et de l'allongement à la rupture.

Caractérisation mécanique : courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont...) contrainte-déformation établie pour un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) de trois matériaux-types.

Les analyses mécaniques et rhéologiques sont basées notamment sur des essais de traction, compression, cisaillement, flexion et torsion (La torsion est la déformation subie par un corps soumis à l'action de deux couples opposés agissant dans des plans parallèles.).

Les équipements d'analyse comprennent les appareils de mesure de l'indice de fluidité (La fluidité est la capacité d'un fluide à s'écouler sans résistance.) à chaud (pour les polymères thermoplastiques) (MFI, Melt flow index en anglais), les appareils de traction, les extensomètres, les analyseurs DSC, les viscosimètres (de type rotationnel, cône-plan ou capillaire) (pour les thermoplastiques), les analyseurs DMA (ces deux derniers instruments sont dédiés aux mesures dynamiques), les appareils de choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) Izod et choc Charpy, etc.

En ce qui concerne les polymères solides, un simple essai de traction uniaxial permet de mesurer certaines propriétés mécaniques.

Les matériaux se répartissent d'après leur comportement en contrainte-déformation, en trois catégories générales : rigides (souvent peu ductiles et peu résistants aux chocs), plastiques ou élastomères. Le graphique intitulé « Caractérisation mécanique » obtenu lors d'un essai de traction met en évidence ces trois catégories :

  • la courbe A illustre le caractère en contrainte-déformation d'un polymère rigide (module élevé) dont la rupture se produit quasi simultanément à la limite d'élasticité. Le polymère a un comportement fragile (faible allongement à la rupture) ;
  • la courbe B montre que le comportement de certains matériaux plastiques est semblable à celui de nombreux matériaux métalliques : la déformation élastique initiale est suivie d'une déformation plastique (La déformation plastique est la déformation irréversible d'une pièce ; elle se produit par un réarrangement de la position des atomes.). Le matériau est tenace (fort allongement à la rupture) ;
  • la courbe C indique une déformation élastique dans un large domaine de déformation ; ce comportement mécanique est typique d'un élastomère.

Les matières plastiques ont des propriétés mécaniques influencées par les principaux facteurs suivants :

Influence de la température : courbe établie pour un échantillon de plastique à différentes températures.
  • la température ;
  • la cohésion des polymères ;
  • la modification des propriétés mécaniques moléculaires des polymères ;
  • leurs conditions de transformation.

Globalement, le module d'élasticité et l'allongement à la rupture des polymères rigides se déterminent de la même façon que dans le cas des métaux.

La limite d'élasticité Re des polymères plastiques équivaut sur la courbe à la valeur maximale de la contrainte se situant à la fin de la région élastique linéaire. De plus, la résistance à la traction Rm correspond à la contrainte entraînant une rupture ; elle peut prendre une valeur supérieure ou inférieure à Re.

Il est important de souligner que les propriétés mécaniques des polymères thermoplastiques et des élastomères dépendent fortement de la température (voir le graphique intitulé « Influence de la température »), des contraintes extérieures et du temps d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés....). Une élévation de température fait passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) un matériau thermoplastique d'un comportement rigide et fragile à un comportement ductile et tenace.

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