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Marc Carrega Aide-mémoire Matières plastiques 2e édition Du même auteur Matéria

Marc Carrega Aide-mémoire Matières plastiques 2e édition Du même auteur Matériaux polymères, Dunod, 2007. , © Dunod, Paris, 2005, 2009 ISBN 978-2-10-054536-0 ©Dunod–Laphotocopienonautoriséeestundélit. T ABLE DES MATIÈRES Avant-propos 1 A Présentation générale des matériaux polymères 1 • Nature et structure des matériaux polymères 5 1.1 Chaîne macromoléculaire 5 1.2 Thermoplastiques et thermodurcissables 15 1.3 Polymères amorphes et polymères semi-cristallins 16 1.4 Élasticité et viscoélasticité 28 1.5 Vieillissement physique 36 1.6 Matériaux complexes industriels 42 2 • Propriétés des matériaux polymères 49 2.1 Propriétés mécaniques 49 2.2 Propriétés physiques 61 2.3 Propriétés chimiques 70 III 3 • Mise en forme des polymères 75 3.1 Généralités 75 3.2 Procédés de mise en forme 77 3.3 Modélisation mathématique appliquée aux procédés de transformation 87 4 • Déchets de polymères et leur valorisation 91 4.1 Généralités 91 4.2 Recyclage physique 92 4.3. Recyclage par voie chimique 95 4.4 Conclusion 96 B Monographies 5 • Polymères de grande diffusion 101 5.1 Polyéthylène (PE) 101 5.2 Polypropylène (PP) 105 5.3 Polystyrène (PS) 108 5.4 Copolymères acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS) 110 5.5 Polychlorure de vinyle et dérivés 111 5.6 Poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) et copolymères 115 5.7 Polymères thermodurcissables 117 6 • Polymères techniques 133 6.1 Polyamides 133 6.2 Polyphénylène oxyde modifié (mPPO) 151 6.3 Polycarbonates 153 IV ©Dunod–Laphotocopienonautoriséeestundélit. 6.4 Polyacétals 156 6.5 Polyesters thermoplastiques 159 6.6 Alliages 164 7 • Polymères techniques haute température 169 7.1 Polysulfones 169 7.2 Poly(sulfure de phénylène) (PPS) 172 7.3 Polymères cristaux liquides commerciaux (LCP) 174 7.4 Poly(éther-cétones) 178 7.5 Polyétherimide 182 7.6 Poly(amide-imide) 185 7.7 Polyimides 188 8 • Polymères fluorés 195 8.1 Polymères fluorés haute température 195 8.2 Polymères fluorés thermoplastiques 202 9 • Élastomères 207 9.1 Généralités 207 9.2 Caoutchouc naturel (NR) 208 9.3 Polyisoprène (IR) 208 9.4 Polybutadiène 208 9.5 Copolymères styrène-butadiène (SBR) 209 9.6 Caoutchouc butyle (IIR-XIIR) 209 9.7 Polychloroprène (CR) 210 9.8 Caoutchoucs nitriles (NBR) 210 9.9 Caoutchoucs nitriles hydrogénés (HNBR) 211 9.10 EPM et EPDM 211 9.11 Polyéthylènes chlorés (CM) 212 9.12 Polyéthylènes chlorosulfonés (CSM) 212 9.13 Caoutchoucs d’épichlorhydrine (CO, ECO) 213 V 9.14 Caoutchoucs acryliques (ACM, AEM) 213 9.15 Caoutchoucs fluorés (FPM) 214 9.16 Copolymères éthylène-acétate de vinyle (EAM ou EVA) 215 9.17 Polynorbornène (PNB) 215 9.18 Polysulfures (OT , BOT) 216 9.19 Silicones 216 9.20 TPE à base de styrène 217 9.21 TPE à base d’oléfines (TPO) 217 9.22 Polyuréthanes thermoplastiques (TPU) 218 9.23 Copolymères éther-ester (COPE) 218 9.24 Copolymères éther-amide (PEBA) 219 C Choix d’un matériau polymère 10 • Critères de choix 223 10.1 Position des problèmes 223 10.2 Qualités et défauts des différentes classes de matériaux 225 10.3 Démarche de choix 228 Index alphabétique 241 Index des produits 245 VI ©Dunod–Laphotocopienonautoriséeestundélit. A VANT-PROPOS Le présent ouvrage se veut un aide-mémoire pour les utilisateurs de matières dites « plastiques » ou pour les étudiants non chimistes qui s’intéressent aux matériaux. La première partie recense les déﬁnitions essentielles du langage des matériaux polymères en essayant de faire sentir les origines des comporte- ments de ces matières, parfois surprenants pour les personnes qui raisonnent consciemment ou non en termes de métaux. Il est fait abstraction le plus possible de l’origine chimique des comportements. On se contente d’écrire les formules des différents produits aﬁn de les avoir « sous la main ». La première partie, en son chapitre 1, explique en quoi la structure de chaîne des polymères détermine leur comportement mécanique et physique à différentes températures. Le chapitre 2 décrit les propriétés mécaniques et physiques essentielles des produits industriels où se trouvent mélangés des polymères et des additifs destinés à en faire des matériaux utilisables ; il en est rappelé la raison et les conséquences pratiques. Les principaux essais norma- lisés sont cités. Le chapitre 3 décrit brièvement les méthodes de mise en œuvre. Le chapitre 4 aborde la question du recyclage des matériaux poly- mères et de la valorisation des déchets. Y sont indiqués les méthodes employées selon le type de polymère et les facteurs économiques qui sont à prendre en considération. La deuxième partie rassemble de courtes monographies des matériaux indus- triels classés en : – polymères de grande diffusion, pour l’essentiel des thermoplastiques mais aussi quelques thermodurcissables ; – polymères techniques ou d’ingénierie ; – polymères techniques spéciaux pour des usages à température relativement élevée ; – élastomères. 1 Avant-propos Ce sont les particularités des différentes matières, quant à leurs propriétés d’usage et de mise en œuvre, qui sont décrites. Les domaines de valeurs numériques pour les classes de produits sont rassemblés en dernière partie de l’ouvrage. Cette dernière décrit rapidement la démarche suivie pour le choix d’un matériau polymère qui utilise les propriétés retenues comme critère de choix pour les usages industriels. Si la deuxième partie de l’ouvrage est assez descriptive, mais rassemble des données d’ordinaire éparses, la première peut servir d’enseignement succinct sur la nature des matériaux plastiques industriels. 2 A Présentation générale des matériaux polymères PRÉSENTATIONGÉNÉRALEDESMATÉRIAUXPOLYMÈRES ©Dunod–Laphotocopienonautoriséeestundélit. 1 • NA TURE ET STRUCTURE DES MATÉRIAUX POLYMÈRES A Les matériaux polymères solides qui font l’objet de cet ouvrage ont plusieurs constituants et présentent presque toujours plusieurs phases. C’est un mélange de liquides et de solides qui est mis en forme. Les solides sont des matières inorganiques en suspension : poudres de minéraux naturels, ﬁbres et billes de verre. Ce sont les phases polymères qui assurent la continuité du matériau et lui donnent son caractère particulier expliqué par la nature chimique. On commencera donc par une description de la partie strictement polymère des matériaux, avec la notion de chaîne macromoléculaire et en déﬁnissant les thermoplastiques et les thermodurcissables. Les transitions vitreuse et sous-vitreuse, le comportement caoutchoutique, le vieillissement physique introduiront la notion de comportement viscoélastique, fondamentale pour comprendre les matériaux polymères. Les modiﬁcations qu’apportent les polymères de renfort, les diverses charges minérales, les plastiﬁants et les stabilisants seront ensuite expliqués. 1.1 Chaîne macromoléculaire Toute substance chimique est constituée de molécules, réunion d’atomes liés entre eux par des liaisons très fortes. Les molécules des substances organiques comportent toutes des atomes de carbone mais aussi des atomes d’hydrogène, d’oxygène, d’azote, de soufre… La caractéristique des molécules polymères est d’être constituées d’enchaînements de groupes identiques d’atomes dési- gnés par un symbole A. La molécule du polymère sera représentée par An. 5 1 • Nature et structure 1.1 Chaîne macromoléculaire des matériaux polymères n est un nombre entier de plusieurs centaines, et même beaucoup plus si A est composé d’un petit nombre d’atomes. La molécule est donc très grande, comparée à celles qui composent les produits organiques courants (solvants, sucre alimentaire, huiles végétales) : on parle de macromolécules. Une caracté- ristique des macromolécules polymères employées comme matériaux est que l’assemblage An est toujours un enchaînement a Aa Aa Aa comme dans un collier ou dans les maillons d’une chaîne. Il peut arriver que la chaîne comporte des ramiﬁcations. Quand la molécule ne comporte que des chaî- nons a Aa identiques, on dit avoir affaire à un homopolymère. Il arrive que des chaînons de natures différentes A et B soient présents, comme dans les schémas Aa Aa Ba Aa Ba Ba Ba Aa A ou Aa Aa Aa Aa Aa Ba Ba Ba B pour lesquels on parle de copolymères. Le premier ensemble où les chaînons se placent sans ordre est représentatif d’un copolymère statistique, le second est un copolymère à blocs. Des exemples de polymères sont donnés au tableau 1.1. La nomenclature consiste à écrire poly devant un nom qui représente le chaînon A. Le poly- éthylène (PE) représente un enchaînement de groupes (CH2a CH2). On pourrait simpliﬁer en (CH2) mais l’origine chimique du produit fait inter- venir le monomère éthylène qui comporte deux groupes CH2 ; il doit donc y avoir, théoriquement, un nombre pair d’atomes de carbone C dans la macro- molécule ; la taille de l’objet est telle que la présence d’un carbone en plus ou en moins ne change rien à ses propriétés. Le nom polypropylène (PP) indique que le monomère produit de départ de l’enchaînement est le propylène (ou propène en nomenclature ofﬁcielle). La chaîne principale est, comme pour le polyéthylène, une suite d’atomes de carbone : a Ca Ca Ca Ca 6 PRÉSENTATIONGÉNÉRALEDESMATÉRIAUXPOLYMÈRES ©Dunod–Laphotocopienonautoriséeestundélit. C 1 • Nature et structure 1.1 Chaîne macromoléculaire des matériaux polymères T ableau 1.1 – Exemples de polymères. Nom du polymère Sigle usuel Formule de l’élément de répétition polyéthylène PE CH2 CH2 polypropylène PP CH2 CH CH3 A polybutène-1 CH CH2 CH2CH3 polyisobutène PIB CH3 CH2 C CH3 polystyrène PS CH2 CH polychlorure de vinyle PVC CH2 CH Cl polyacétate de vinyle PVAc CH2 CH O O C CH3 polytétrafluoréthylène PTFE CF2 CF2 polyfluorure de vinylidène PVDF CH2 CF2 polyacrylate de R CH CH2 R = méthyle (CH3) O O R = éthyle (C2H5) = butyle (C4H9) 7 C O CH2 (CH2 4 (CH2 6 (CH2 5 1 • Nature et structure 1.1 Chaîne macromoléculaire des matériaux polymères T ableau 1.1 – Exemples de polymères (suite). Nom du polymère Sigle usuel Formule de l’élément de répétition polyméthacrylate de R PMMA CH3 R = méthyle (CH3) = éthyle (C2H5) = butyle (C4H9) C CH2 O uploads/s3/ matieres-plastiques-2ed.pdf