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1 MEC3430 Matériaux polymères MEC 3430 – Matériaux Polymères INTRODUCTION et C

1 MEC3430 Matériaux polymères MEC 3430 – Matériaux Polymères INTRODUCTION et Chapitre 1 : POLYMÈRES ET ADDITIFS 2 MEC3430 Matériaux polymères Équipe d’enseignement Objectifs Description sommaire Structure du cours et évaluation Introduction aux matériaux polymères Chapitre 1 Présentation 3 MEC3430 Matériaux polymères Coordonnateur: Professeur Rachid Boukhili Séances 1 à 4 Chargé de cours groupe : Djebar Ait Messaoud Séance 5 à 13 Responsable des TD et TP: Ennajimi Elmekki Équipe d’enseignement 4 MEC3430 Matériaux polymères Objectifs du cours Faire connaître le vocabulaire propre au domaine ainsi que les principales caractéristiques des plastiques, des élastomères et des composites Faire découvrir les bases du comportement mécanique de ces matériaux Rendre l’étudiant apte à choisir le bon matériau pour une application donnée et utiliser les méthodes de design propres à ces matériaux Donner un aperçu des principaux procédés de transformation de façon à pouvoir faire un bon choix pour une application donnée (Présentation de trois vidéo). 5 MEC3430 Matériaux polymères Description du cours Introduction: Histoire du développement des matériaux polymères. Polymères comme matériaux d’ingénieur, principaux domaines d’utilisation. Polymères et leurs additifs: Terminologie. Masse moléculaire et son importance. État physique (vitreux, caoutchouteux, semi-cristallin). Température de transition. Orientation. Principaux additifs et leur rôle. Effet de charges et de renforts sur la rigidité. Loi des mélanges, orientation des fibres. 6 MEC3430 Matériaux polymères Plastiques: Types (amorphes vs semi-cristallin, thermoplastique vs thermodurcissables). Principaux plastiques commerciaux. Propriétés. Comportement des plastiques à long terme: essais de fluage et de relaxation. Résistance à la fatigue. Design: critère de sélection. Méthode de design pseudo- élastique et exemples d’application. Éléments de viscoélasticité: Fonctions viscoélastiques. Nombre de Déborah. Corps rhéologique. Étude phénoménologique des comportements viscoélastiques et présentation de modèles simples. Complaisance de fluage, module de conservation et de perte. Dissipation de l’énergie de déformation dans un matériau viscoélastique. Description du cours 7 MEC3430 Matériaux polymères Élastomères: Type (réticulés et thermoplastiques), principaux élastomères industriels, formulation. Comportement mécanique, fonction de travail, déformation uniaxiale, biaxiale, en cisaillement, équation de Mooney-Rivlin. Application pour sollicitations simples: compression, torsion, cisaillement. Procédés de fabrication: Discussion des procédés disponibles en fonction du matériau, de la taille, de la forme et de la quantité de pièces à fabriquer. Description du cours 8 MEC3430 Matériaux polymères Structure du cours Description: Cours de 3 crédits 3 heures de cours et 2 heures de labo (TD et TP) par semaine Voir sur Moodle la répartition du cours, TD et TP Évaluation: 1 contrôle périodique (30%)  1 examen final (35%) TD et TP (35%) 9 MEC3430 Matériaux polymères Préalable: Matériaux (MTR1000-2000) Atomes, molécules et liaisons chimiques Terminologie « chimique » Résistance des matériaux Loi de Hooke, rupture 10 MEC3430 Matériaux polymères Références Notes de cours disponibles à la Coopoly: « Matériaux polymères» Notes de cours disponibles au fur et à mesure sur Moodle 11 MEC3430 Matériaux polymères Comment étudier ? Diapos sur Moodle et notes de cours Consultations avec le Professeur et le chargé de cours 12 MEC3430 Matériaux polymères introduction Importance des matériaux polymères Bref survol historique Les principaux polymères Les principaux procédés de transformation (vidéo) 13 MEC3430 Matériaux polymères Importance des polymères Pourquoi s’intéresser aux polymères dans une formation en génie mécanique? Les plastiques, élastomères et composites forment la classe de matériaux (fabriqués) la plus utilisée en volume aujourd’hui. 14 MEC3430 Matériaux polymères Pourquoi étudier ces matériaux? Utilisation croissante dans l’industrie!! Historique 15 MEC3430 Matériaux polymères Industrie importante dans le monde 16 MEC3430 Matériaux polymères  Environ 150 000 emplois au Canada dans divers secteur allant de la fabrication de la matière première aux fabricants de moules et machines ainsi qu’aux transformateurs. Industrie importante au Canada 17 MEC3430 Matériaux polymères Importance d’un cours sur les matériaux polymères La majorité des notions fondamentales acquises dans la formation d’ingénieur en mécanique sont illustrées à partir d’exemples basés sur des matériaux métalliques avec des hypothèses de départ relatives à ces matériaux et qui ne sont pas toujours vérifiables pour les matériaux plastiques. Lors de la conception de pièces avec ces matériaux, les critères de design utilisés peuvent être complètement différents de ceux utilisés pour les métaux. 18 MEC3430 Matériaux polymères Quelques définitions Un polymère est une substance composée de longues chaines moléculaires appelées macromolécules. Une macromolécule résulte de l'enchainement par liaison covalente, d'unités constitutives (ou groupe d’atomes) appelées ‘meres’ (provenant du grec ‘meros’ qui signifie partie) Par exemple, dans la macromolécule suivante: A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A------------- ≡ [A]n A est l’unité constitutive. Elle est formée d’un groupe d’atomes qui se répète 19 MEC3430 Matériaux polymères Quelques définitions Polymères naturels… Bois (cellulose), laque de sécrétion d’insecte, coton, cuir, cartilage, amidon, résine d’arbre, ADN etc.. Polymères semi-synthétiques… Basés sur des produits naturels qui ont subi une transformation. Polymères synthétiques Produits entièrement synthétisés en laboratoire dans le but d’atteindre des propriétés spécifiques. 20 MEC3430 Matériaux polymères Avantage des polymères La matière plastique offre beaucoup d’avantages comparativement à d’autres matériaux. Son utilisation permet non seulement de réduire les coûts et d’accroître les rendement des produits, mais aussi de contribuer au développement durable, comme le démontre les exemples suivants: Pièces pour véhicules automobiles: La matière plastique est de plus en plus utilisée dans l’industrie de l’automobile, dans des applications allant des panneaux de carrosserie aux pièces de compartiment moteur et du tableau de bord. La substitution du métal à la matière plastique permet d’alléger les véhicules et de réduire la consommation d’essence, ce qui contribue à la conservation du pétrole et à la réduction des émanations de gaz d’échappement. 21 MEC3430 Matériaux polymères Emballage: La matière plastique permet de créer avec le rendement voulu des emballages plus légers et moins volumineux que le verre, le métal ou le papier. Le poids et le volume du produit final, étant réduits, cela contribue à la conservation de l’énergie pendant le transport. Articles de construction: Les fenêtres et les portes de PVC n’ont pas besoin d’être peintes. Les émanations de solvants des peintures sont donc réduites. L’efficience thermique des constructions est aussi améliorée, ce qui réduit la quantité d’énergie consommée pour le chauffage et la climatisation. Avantage des polymères 22 MEC3430 Matériaux polymères Marché de l’utilisation finale 23 MEC3430 Matériaux polymères Pétrole vs plastique  Un faible pourcentage des ressources pétrolières (4 à 6 %) est utilisé pour la fabrication de polymères 24 MEC3430 Matériaux polymères Historique In 1863: $10000 prize offered by the Phelan and Collander Company for a new synthetic material to make billiard balls 25 MEC3430 Matériaux polymères 1869: Les frères Hyatt inventent le celluloïd (par nitration de la cellulose du bois puis mélange à chaud avec du camphre). Historique Application: prothèse dentaire, touches de piano, poignée de couteaux, bijoux, colliers et manches de chemise, touches de piano. etc… Problème d’inflammabilité: 39 explosions et incendies en 36 ans 26 MEC3430 Matériaux polymères 1890: Pellicule pour photos et films Historique 27 MEC3430 Matériaux polymères Historique Les polymères ne datent pas d’hier Réelle émergence: 1920-1930 Fort développement: À partir de la deuxième guerre mondiale 1926 !! Le concept de macromolécule a été formulé au début du 20ieme siècle par le chimiste allemand Staudinger (Prix Nobel de chimie en 1953). 28 MEC3430 Matériaux polymères Historique En 1935 : Synthèse du nylon par Wallace Hume Carothers –chimiste américain de la compagnie Du Pont de Nemours. Commercialisé pour la première fois sous la forme d’une brosse à dent dont les poils étaient en nylon. Actuellement grande utilisation dans l’automobile. 29 MEC3430 Matériaux polymères 1907: Découverte de la Bakélite par le chimiste Baekeland Historique 1910: production industrielle de la bakélite Premier polymère thermodurcissable complétement synthétique à être commercialisé 30 MEC3430 Matériaux polymères Historique Utilisation de la bakélite 31 MEC3430 Matériaux polymères 1940: Démonstration par Ford du potentiel des plastiques pour la résistance aux impacts. Historique 32 MEC3430 Matériaux polymères 1953: La corvette est produite en série « The plastic car »  Utilisation de résine polyester et de fibres de verre Historique 33 MEC3430 Matériaux polymères Historique L’arrivée du HDPE (1953 – chimiste allemand Ziegler) a entraîné l’augmentation de l’utilisation du procédé d’extrusion-soufflage pour la fabrication de bouteilles et de réservoir d’essence. 34 MEC3430 Matériaux polymères Les polymères sont maintenant utilisés presque partout dans l’automobile Utilisation 35 MEC3430 Matériaux polymères • 58% à l’intérieur • 27% à l’extérieur • 8% dans le chassis • 7% dans le moteur Utilisation 36 MEC3430 Matériaux polymères Utilisation 37 MEC3430 Matériaux polymères Principaux polymères Thermoplastiques (semi cristallins et amorphes)  Ils peuvent être « ramollis » par chauffage  Ils peuvent être mis en forme dans des moules lorsqu’ils sont à l’état « ramollis »  Ils ne peuvent atteindre l’état gazeux, ils se dégradent avant d’atteindre cet état.  Ils sont disponibles sous forme de granules, de feuilles ou de poudre.  Quelques exemples: polyéthylène (PE), polycarbonate (PC), Polystyrène (PS) , polychlorure de vinyle (PVC), etc… Trois grandes familles de polymères. Les thermoplastiques, les thermodurcissables et les élastomères 38 MEC3430 Matériaux polymères Thermodurcissables  Une fois durcis et moulés, il n’est plus possible de les chauffer pour les former à nouveau car ils se dégradent.  Pour être moulés, ils se forment sous forme de semi-produits Résine + catalyseur Principaux polymères  Quelques uploads/Ingenierie_Lourd/ cours1-intro.pdf