4.1 Matériaux polymères 50

L'utilisation des polymères comme matériaux dans des mécanismes où les pièces sont en mouvement relatifs peut fournir beaucoup d'avantages qui ne peuvent pas être réalisées avec des céramiques ou des couches de revêtements. Les surfaces de contact de polymère peuvent suivre les déformations de substrat provoquées par le chargement mécanique ou thermique dans les paliers tout en réduisant le risque de décollement des matériaux dans le substrat[130]. Une autre caractéristique importante est leur propriété de « auto-lubrifiant » qui permet de supporter de courtes périodes de fonctionnement à sec ou peu lubrifié. Les polymères présentent beaucoup de propriétés favorables à leur utilisation, cependant l'usure, la basse conduction thermique, la déformation viscoélastique et l'absorption d'eau et l’humidité devraient être considérés avec attention lors de leurs choix dans la conception des mécanismes La recherche présentée dans ce travail est principalement concentrée sur le comportement tribologique et électrostatique des matériaux polymères pour tenter d'aboutir à la compréhension des mécanismes impliqués dans la génération de charges électriques dans les contacts secs avec frottement et dans les contacts lubrifiés. [130]

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Un polymère peut être défini simplement comme une matière constituée de plusieurs unités moléculaire dont la base contient du carbone, de l'hydrogène, de l'oxygène, et/ou du silicium [131]. Les matériaux polymères qui font l'objet de la présente étude sont au nombre de 6 (figure II-16) : un polystyrène (PS), deux types de polychlorure de vinyle (PVC), un acrylonitrile butadiène styrène (ABS) et un polypropylène (PP).

Le PS est un polymère optiquement clair, bon marché, et facilement moulable. Il nous est familier comme matériau standard des boîtiers de CD. Dans sa forme la plus simple, le PS est cassant. En le mélangeant avec du polybutadiène, les propriétés mécaniques sont bien améliorées. Le PS à haute résistance à l'impact est beaucoup plus résistant même à basses températures (c'est à dire jusqu'à –12°C). La plus grande utilisation du PS est la mousse d'emballage.

Le PE est un polymère thermoplastique de masse qui représente une partie majeure de la consommation totale en polymères. Le polyéthylène est inerte et extrêmement résistant à l'eau douce et à l'eau salée, aux aliments et à la plupart des solutions basées sur l'eau. C'est la raison pour laquelle il est largement utilisé pour des articles ménagers, des récipients pour aliments. Le polyéthylène est bon marché et particulièrement facile à mouler et à mettre en œuvre. Il accepte une grande gamme de coloris, peut être transparent, translucide ou opaque. Il a un toucher plaisant, un petit peu cireux. Il peut être texturé ou métallisé.

Le PVC est un des polymères les moins chers et les plus polyvalents. Avec le polyéthylène, il est le plus largement utilisé des polymères. C’est un polymère thermoplastique, rigide et pas très résistant aux chocs. Son bas prix en fait un plastique économique pour des applications où les conditions de service ne sont pas très contraignantes. Il existe du PVC rigide et du PVC flexible qui peuvent tous deux être moussés pour la réalisation des panneaux légers. Le PVC peut également être mélangé avec d'autres polymères pour élargir la gamme des propriétés. L'ABS est solide, résilient et facile à mouler. Il peut être soumis à des cycles de chauffe et de refroidissement sans dégradation significative. L'ABS est normalement opaque et on peut lui donner des couleurs vives, cependant certains grades peuvent être transparents. Les alliages ABS-PVC sont plus solides que les ABS standards. Il a une multitude d'utilisations : instruments de musique, composants d'automobiles notamment les pare-chocs, boîtiers pour les assemblages électriques et électroniques, valises de voyages, bagages et étuis de protection. Récemment, l'ABS est utilisé pour l’impression 3D.

Mise en œuvre expérimentale

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La PP standard est bon marché, léger et ductile mais il a une faible tenue mécanique. Il est plus rigide que le PE et peut être utilisé à plus hautes températures. Les propriétés du PP sont semblables à celles du PEHD mais il est plus rigide et fond à une température plus élevée (165- 170°C). Sa rigidité et sa résistance mécanique peuvent être améliorées en le renforçant avec des fibres de verre, de la craie ou du talc. Lorsqu'il est étiré en fibre, le PP a une résistance et une résilience exceptionnelle; comme il a une bonne résistance à l'eau, c'est un matériau intéressant pour les cordages et les tissus. Il est plus facile à mouler que le PE, a une bonne transparence et peut accepter une gamme plus large et plus vive de couleurs. Le PP est couramment produit sous forme de feuilles, de produits moulés et de fibres; il peut également être moussé.

Figure II-16. Polymères utilisés.

Les propriétés mécaniques, électriques et thermiques peuvent influencer les comportements électrostatiques et/ou tribologiques des matériaux. Notons par exemple que la rugosité peut influencer significativement le coefficient de frottement et le niveau de charge générée [59]. Les différentes conductivités thermiques impactent l’état d’échauffement et l'évolution du champ thermique généré par frottement sec. La résistivité électrique a une influence sur le déclin de charges électriques [111].

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Tableau II-2. Propriétés mécaniques, électriques et thermiques

PS PVC1/ PVC2 PE ABS PP Module de Young [MPa] 1200- 2600 2140- 4140 621-896 1100 - 2900- 896- 1550 Dureté Vickers [HV] 15.29 16,7 Conductivité thermique [W/m.°C] 0,121- 0,131 0,147- 0,293 0,403- 0,435 0,188 - 0,113- 0,167 Résistivité électrique [ohm m] 1e17- 1E19 1E12- 1E14 3,3E14- 3E16 3,3E2 1 3E22- 3,3E14- 3E15 Permittivité relative 3,0 - 3,2 3,1 -4,4 2,2 -2,4 2,8 – 3,2- 2,1-2,3 Rugosité Ra initial [µm] - - - 0,5 ± 0,1 0,1 ± 0,02

Les polymères ont des compositions chimiques différentes qui sont caractérisées par de liaisons des molécules spécifiques pour chacun. Des liaisons carbone-carbone de la chaîne de polymère peuvent être cassées quand le polymère est soumis à une décharge électrique [132], déformé, usé ou encore dégradé. Ces mécanismes peuvent générer des électrons libres qui favorisent la triboélectrification. Une investigation chimique est faite avec un spectromètre FTIR pour analyser les éventuelles changements de la composition de polymères. Les spectres infrarouges des polymères étudiés sont donnés dans la figure II-17.

Mise en œuvre expérimentale

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