Pour bien comprendre les plastiques il est nécessaire de connaître la fabrication et la mise en œuvre de ces matières. Le but n'est pas de rentrer dans leur chimie mais d'exposer certaines de leurs propriétés pour appréhender leurs intérêts dans la construction automobile.
En effet, les plastiques sont devenus courants et dans l'esprit de nombreuses personnes, ils font partie d'une même famille :" le plastique ". Nous allons voir qu'il n'en est rien en étudiant leurs différentes transformations. Il est à noter que certains plastiques se livrent une concurrence importante au sein de cette grande famille.
L'obtention d'une pièce en matière plastique résulte de la succession des étapes suivantes:
Le pétrole est un liquide visqueux constitué d'un mélange de produits appelés hydrocarbures qui sont plus ou moins lourds. De ce fait, ils ont des points d'ébullition (passage de l'état liquide à l'état gazeux) relativement différents les uns des autres. C'est sur ce point qu'est basée la séparation des constituants du pétrole qui est une distillation fractionnée.
Cette distillation s'effectue dans une haute colonne en acier, dite colonne de fractionnement. Cette colonne est compartimentée intérieurement par un certain nombre de plateaux horizontaux.
Le pétrole est préalablement chauffé dans un four à environ 400°C. A cette température, la plupart des fractions constituant le pétrole sont sous forme de gaz. Lorsqu'elles pénètrent dans la colonne, elles s'élèvent à l'intérieur en se refroidissant au fur et à mesure de leur ascension.
Schéma de raffinage du pétrole.
Précis Matières plastiques : structure, propriétés, mise en oeuvre,
normalisation, JP Trotignon,Nathan,1997
Chacune des fractions obtenues lors de la distillation fractionnée ne peut être utilisée directement car il ne s’agit pas de produits purs. Ce sont encore des mélanges qu'il faudra traiter pour obtenir les hydrocarbures utilisés dans différents secteurs (gas-oil, essence, produits de base de la pétrochimie)
En particulier, l'une des coupes obtenue est le naphta qui va être à la base de plusieurs polymères. Nous allons examiner le traitement réalisé sur cette coupe naphta qui est le plus souvent le vapo-craquage.
Schéma d'un vapo craqueur
1: arrivée du naphta.
2: passage dans un four.
3: séparation du naphta et des résidus
4: compression des gaz.
5: lavage à la soude.
6: nouvelle distillation
Précis Matières plastiques : structure, propriétés, mise en oeuvre, normalisation, JP Trotignon,Nathan,1997
En sortie de raffinage, le naphta va donc subir plusieurs transformations jusqu'à l'obtention de monomères.
A partir de petites molécules appelées monomères, on obtient de grosses molécules appelées polymères ou macromolécules, par assemblage de ces monomères sous forme de chaînes.
L'opération qui permet de passer du monomère au polymère est la polymérisation. Cette opération peut être considérée comme l'assemblage de particules de monomères pour former une chaîne qui constituera le polymère :
Cette opération n'est possible que grâce à la structure particulière des monomères et sous certaines conditions: Pression - Température – catalyseurs.
Autres modes d'obtention des polymères :
Par élimination d’un condensat d’eau, d’ammoniaque ou de gaz carbonique, les Monomères s’associent entre eux sans intervention extérieure.
Il s’agit d’une opération analogue à la précédente, sans rejet.
Les polymères ou macromolécules finalement obtenus constituent la matière première utilisée par les plasturgistes. Ces résines de base sont en général livrées sous forme de granulés ou de poudres. Le catalyseur étant un produit chimique provoquant ou facilitant une réaction
Classification par familles des principaux additifs des plastiques
| Types d'additifs | Effets | Nature des additifs |
| Renforts | Accroître la résistance mécanique | Fibre de verre Fibre de carbone Métal |
| Charges | Diminuer le prix de revient Apporter une propriété particulière : - tenue à la chaleur - tenue aux chocs et à l'abrasion - résistance chimique |
Papier déchiqueté, craie, farine de bois... Kaolin, mica, silice Cellulose, coton... Farine de bois, graphite. |
| Plastifiants | Donner de la souplesse et réduire la fragilité | Phtalates, phosphates adipates, sébacates, stérates |
| Stabilisants: Anti u.v. Anti chaleur Amines |
S'opposer au vieillissement sous l'effet de la chaleur et des u.v. | Sels de plomb, de Ba, Ca, Sn Stérates, huile de soja époxydée |
| Stabilisants : anti-oxydants | Lutter contre l'oxydation | Aminés aromatiques Dérivés phénoliques |
| Colorants | Conférer un bel aspect | Pigments minéraux et organiques Oxydes métalliques |
Il existe deux types de matière plastiques: les thermoplastiques et les thermodurcissables
Les thermoplastiques sont constitués de macromolécules linéaires qui peuvent glisser les unes par rapport aux autres sous l'effet de la chaleur, ou de fortes contraintes.
Quand on chauffe un thermoplastique, il se ramollit et devient malléable. Quand on le refroidit, il se fige. La transformation d'un thermoplastique est réversible. Il est donc recyclable.
Le granulé ou la poudre avant transformation se trouve dans un état chimique stable et définitif :pas de modification chimique lors de la transformation.
Solide ----->Fluide (état pâteux)
Fluide ----->Solide
Les thermodurcissables sont constitués de réseaux macromoléculaires tridimensionnels, où des pontages entre chaînes empêchent tout glissement.
Sous l'effet de la chaleur, le réseau renforce ses liaisons et se rigidifie. Sous de trop fortes températures, le thermodurcissable se dégrade ( carbonisation).
La transformation d'un thermodurcissable est irréversible.
Au sein de cette grande famille, seuls les principaux TD pour l'automobile seront abordés (les polyuréthannes, les caoutchoucs, les polyesters insaturés, et les phénoliques).
La poudre ou la résine avant transformation est dans un état chimique intermédiaire:
Il y a modification chimique pendant la transformation.
La solidification ou durcissement s’effectue
La forme obtenue est définitive. Pas de transformation par la chaleur (rebroyé inutilisable).
Les PU sont des matériaux dont les performances sont très variées en fonction des associations chimiques réalisées.
La réaction chimique de base est de ce type :
polyol formulé (composant A) + Diisocyanate (composant B) --------> Polyuréthane
Selon la formulation des composants A ou B, on peut obtenir :
Les polyuréthannes (mise en œuvre par réaction) |
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Désignation |
Quelques avantages |
Quelques limites d'emploi |
Applications dans l'automobile |
| Mousses souples | Large plage de densité 35 à 60 Kg / m3 Amortissement des vibrations |
Déchirure Déformation Rémanente à chaud |
- Matelassures de sièges - Insonorisants |
| Mousses semi-rigides | Compromis Poids / dureté |
Défauts d'écoulement pendant le moussage ( cloques...) |
- Remplissage de planches de bord - Accoudoirs |
| Mousses rigides | Large plage de densité Facilité de mise en œuvre |
Fiabilité | - Tablettes arrière ( sous tissus) - Panneaux de porte - Remplissage de corps creux |
| Mousses Microcellulaires à peau |
Toucher Propriétés élastiques |
Tenue aux UV (peinture fond de moule nécessaire) |
- Volants de direction |
| Elastomères (procédé R.I.M.) |
Propriétés élastiques et tenue aux chocs | Coût Tenue au u. v. (peinture nécessaire) |
- Pare-chocs - Becquets - Protections latérales - Surmoulage de vitres |
Un caoutchouc est constitué de longues chaînes moléculaires repliées sur elles-mêmes au repos. Sous l'action d'une contrainte externe, les chaînes peuvent glisser les unes par rapport aux autres : le matériau présente des caractéristiques élastiques aux petites déformations. Pour pouvoir déployer complètement ses chaînes, sans les faire glisser ni supprimer leur flexibilité, le caoutchouc doit être vulcanisé.
Le principe de la vulcanisation (cuisson et durcissement) repose sur la création d'un nombre limité de liaisons covalentes entre chaînes de polymère de façon à créer un réseau tridimensionnel plus ou moins rigide.
De manière à optimiser les caractéristiques du caoutchouc en vue d'une utilisation donnée, il est nécessaire de le formuler ( c'est-à-dire d'ajouter à l'élastomère de base, différents ingrédients ) :
Les polyesters insaturés sont obtenus par réaction de condensation entre différents polyacides (anhydrides phtaliques, maléiques, etc. ... ) et alcools ( éthylène, propylène, diéthylène glycol ).
Les produits de condensation se présentant sous forme d'une masse visqueuse, sont dilués dans un monomère non saturé, le styrène, susceptible de se combiner avec les doubles liaisons de la résine, provoquant ultérieurement la réticulation.
Cette réticulation se produit lorsqu'un peroxyde catalysant l'ouverture des doubles liaisons de la chaîne et du monomère, est introduit dans la résine. Certains peroxydes (peroxyde de benzoyle par exemple), sont relativement stables à température ambiante et seuls, la chaleur ou un accélérateur chimique peuvent activer leur décomposition.
Parmi les polyesters insaturés, deux grandes familles sont principalement utilisées :
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