Les Matières Plastiques

1. Les Matières Plastiques Pr. Philippe Chaumont UFR de Chimie-Biochimie Philippe.chaumont@univ-lyon1.fr

2. Les différents matériaux • Matériaux organiques d’origine naturelle ou synthétique. • Matériaux minéraux : verres, ciments, céramiques, métaux. • Matériaux composites et multi-matériaux. Exposé de Philippe Chaumont Exposé d’Alain Domard Exposé de Myriam Peronnet

3. Les matériaux organiques • Polymères synthétiques(les « matières plastiques ») • Polymèresnaturels

4. 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 ce que sont les polymères !

5. 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 essentiellemententre les deux guerres mondiales

6. 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…

7. 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)

8. Les macromolécules Ces macromolécules sont formées de la répétition d’un même motif tout au long de la molécule

9. Synthèse des polymères Monomère(s) 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 polymérisation Polymère

10. 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

11. n Synthèse par réaction en chaîne (polyaddition) Éthylène Polyéthylène Le polyéthylène est souvent utilisé comme film pour emballage

12. Synthèse par réaction par étapes (polycondensation) Réactions « classiques » de la chimie organique, par exemple : (di)acide + (di)alcool donne ester (+ eau) Le PET est un polymère utilisé pour les bouteilles (bouteilles d’eau ou de boissons gazeuses)

13. Modification Chimique Le poly acétate de vinyle est utilisé comme colle (bois). Transformé (partiellement) en alcool polyvinylique il est utilisé comme agent tensio-actif

14. 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)

15. 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.

16. 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 »

17. Place des matériaux polymères dans l’industrie Industries des biens intermédiaires Statistiques en 2001

18. Emplois industriels

19. Emplois en Chimie « organique »(septembre 2003 en millier)

20. Domaines d’utilisation emballage bâtiment transport habillement médical électrique, électronique colles, vernis agriculture sports, loisirs peintures

21. Utilisation Emballage : bouteilles, sacs, barquettes, flacons, tubes …

22. Utilisation Bâtiment : profilés, revêtements muraux et de sols, tuyaux, isolation, mobilier … Tuyaux en PVC Tuyaux en Polyéthylène

23. Utilisation Transport : carrosserie, bateaux, tableaux de bord, pare-chocs, réservoirs, pneumatiques, ailes et intérieur d’avion, pales d’hélicoptères …

24. Utilisation Médical : prothèse, cathéters, compte-gouttes, seringues jetables …

25. Utilisation Électrique/Électronique : boîtiers d’ordinateur, téléphones, électroménagers …

26. Utilisation Agriculture : films, serres, auge …

27. Utilisation Sports/Loisirs : patins, skis, jeux, jouets …

28. Du polymère au matériau Formulation Production Mise en œuvre

29. Production

30. Formulation • Charges • Plastifiants • Stabilisants (anti-UV, antioxydants) • Antistatiques • Lubrifiants • Antichocs • Colorants • Pigments • Retardateurs de Flamme

31. 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

32. Composites L’assemblage d’un matériau sous forme de fibre et d’un polymère forme un matériau composite Fabrication d’un canoë

33. 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

34. Différents types de polymères • Thermoplastiques • Élastomères • Thermodurcissables

35. 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.

36. 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 : injection

37. 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 : extrusion

38. Extrusion-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

39. 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 : extrusion

40. 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 : thermoformage

41. 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 : rotomoulage

42. 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 : calandrage

43. 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.

44. 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 : Moulage au contact

45. 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 : RIM

46. 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 : RTM

47. 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 : Pultrusion

48. 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. Mise en Œuvre : Enroulement

49. Recherches & Développements Matériaux à Hautes Performances Recyclage des Matériaux Matériaux Intelligents Nanomatériaux et Nanotechnologies Matériaux pour Applications Médicales

50. 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…