Principalement fabriqués à partir du pétrole, les plastiques sont des produits de synthèse issus de la pétrochimie et consomment aujourd’hui 4% environ des produits pétroliers et gaziers dans le monde (cap sciences, 2006). Le mot pétrole vient du latin Petra : pierre etoléum : huile (huile de pierre). C’est une roche sédimentaire carbonée qui se présente sous forme d’huile minérale. Il provient de l’enfouissement et de la lente décomposition de micro-organismes marins végétaux et animaux (plancton, algues,…) dans le milieu anaérobie des sédiments océaniques. Le pétrole se trouve parfois piégé dans une roche réservoir poreuse qui constitue le gisement. Il peut par exemple, imprégner une couche de sable dont on l’extrait après forage des couches supérieures. Il remonte grâce à la pression comme de l’huile qui sortirait d’une éponge pressée.
Le nombre d’atomes de la molécule et le type de liaison carbone-carbone déterminent différents composés saturés et peu réactifs ou insaturés et plus instables.
Certains d’entre eux contiennent un nombre important d’atomes et ont une masse moléculaire élevée (huiles), d’autres plus légers ayant un à six carbones sont plus volatiles (Gaz : butane C4H10, propane C3H8,...). Seuls certains hydrocarbures sont utilisés pour la fabrication des plastiques. Ils sont insaturés et renferment entre six et onze atomes de carbone.
C
Molécule de propane C3H8 Molécule de butène C4H8
Figure 1.1 : Exemple de molécule d’hydrocarbure : saturées et insaturées (cap sciences, 2006)
Du pétrole au plastique, plusieurs étapes sont à observer. Le tableau 1.1 montre les étapes les plus essentielles.
Tableau 1.1 : les grandes étapes de transformation du pétrole en plastique (cap sciences, 2006)
6 1.1.2. Différents types de matières plastiques
Les plastiques inventés au XXième siècle ont remplacé les matériaux traditionnels comme le bois ou le métal. Les recherches menées pour améliorer et diversifier leurs propriétés les destinent à de nombreuses utilisations. Les matières plastiques sont légères, hygiéniques, durables et faites sur mesure. C'est grâce à toutes leurs qualités qu’elles sont devenues irremplaçables et omniprésentes dans les objets de notre vie quotidienne.
Les fabricants offrent une très grande diversité de produits, mais il existe trois grandes catégories de matières plastiques synthétiques: les thermoplastiques, les thermodurcissables et les élastomères (cap-sciences, 2006).
1.1.2.1. Les thermoplastiques
Sous l’effet de la chaleur, les thermoplastiques ramollissent, deviennent souples, malléables et durcissent à nouveau quand on les refroidit. Cette transformation étant réversible, ces matériaux conservent leurs propriétés et sont facilement recyclables. Leurs polymères de base sont constitués par des macromolécules linéaires, reliées par des liaisons faibles qui peuvent être rompues sous l’effet de la chaleur ou de fortes contraintes (cap sciences, 2006).
Les thermoplastiques sont par ailleurs solubles dans des solvants spécifiques, ce qui permet leur utilisation comme revêtements et colles (KOWANOU &
TCHEHOUALI, 2011). On peut citer entre autres :
Le polyéthylène (PE)
Grâce à sa structure chimique simple, le polyéthylène prime sur la plupart des autres matériaux car il peut être réutilisé. On distingue deux familles : le PEBD (polyéthylène basse densité) et le PEHD (polyéthylène haute densité).
Utilisé pour des objets plastiques, il sert de fabrication pour les produits souples tels que les sacs, films, sachets, sacs poubelle, récipients souples (bouteilles de ketchup, de shampoing, tubes de crème cosmétique …) (Cercle National Du récyclage, 2009).
Le PEHD est utilisé pour des objets plastiques rigides. On le trouve par exemple dans des bouteilles et des flacons, des bacs poubelles, des cagettes, des tuyaux, des fûts, des jouets, des ustensiles ménagers, des boîtes type…
Le polypropylène (PP)
Il sert à la fois comme thermoplastique et comme fibre et n’absorbe pas d’eau.
On en trouve beaucoup sous forme de pièces moulées dans les équipements automobiles (pare-chocs, tableaux de bord, habillage de l'habitacle) et dans le mobilier de jardin. Ce matériau sert à fabriquer des boîtes à aliments qui résistent au lave-vaisselle parce qu'il ne fond pas en dessous de 160°C. Le polypropylène est aussi utilisé dans la fabrication de fibres synthétiques (tapis, moquettes, cordes, ficelles) mais aussi pour les emballages alimentaires en raison de son aspect brillant et de sa résistance (flacons, films, pots) (cap sciences, 2006).
Le polystyrène (PS)
C’est un plastique dur, cassant et transparent. On le reconnaît facilement à un blanchissement sur les zones de contraintes avant la rupture ou à sa fumée noire et à son odeur caractéristique lors de sa combustion. Il sert de fabrication de mobilier, d’emballages, de grilles de ventilation, de jouets, de verres plastiques… On distingue le polystyrène "cristal (boîtes, les boîtiers CD) en raison de son aspect transparent, le polystyrène expansé (PSE solide à 20°C, pâteux à 120°C et fondant à 160°C.) (cap sciences, 2006).
Le polycarbonate (PC)
Il présente d'excellentes propriétés mécaniques et une bonne résistance thermique jusqu'à 120°C. Il est utilisé pour la fabrication des casques de moto, des vitrages des guichets à l'épreuve des balles et des phares, feux arrière et clignotants de voitures. De par sa neutralité physiologique, on l’utilise dans le domaine médical pour la fabrication de matériel et de prothèses. Par contre, il résiste mal aux contacts prolongés avec l'eau, aux agents chimiques et aux rayons ultraviolets (cap sciences, 2006).
Le polyéthylène téréphtalate (PET)
C'est un polymère obtenu par la polycondensation de deux composants : le diméthyltéréphtalate et l'éthylène glycol. Le PET surtout employé pour la fabrication
8 température trop haute. Pour cette même raison, on ne peut pas l’utiliser pour les confitures qui sont coulées chaudes dans les pots. Il existe aujourd’hui un nouveau type de polyester plus résistant à la chaleur qui correspond à ce que l'on recherche pour les pots de confiture et les bouteilles consignées. C'est le polyéthylène naphtalène ou PEN (cap sciences, 2006).
Les polyacétals ou polyoxyméthylène (POM)
Les polyacétals ont des propriétés qui les rendent irremplaçables pour des pièces à fortes exigences mécaniques comme les engrenages et les poulies.
Ils sont solides et présentent les qualités de métaux tels que l'acier, l'aluminium ou le zinc. Ils résistent à la plupart des agents chimiques et ont un faible coefficient de frottement. Par contre, ils ont une densité élevée et une assez faible résistance à la température (cap sciences, 2006).
Le polychlorure de vinyle (PVC)
Il est obtenu par la polymérisation des monomères de chlorure de vinyle CH2=CH− Cl. Ce polymère de formule − (CH2 − CH − Cl) n − est issu d’une réaction chimique entre l'éthylène et l'acide chlorhydrique, en présence d'oxygène. Le PVC rigide qui a un aspect lisse et dur est utilisé pour les tuyaux de canalisation. Le PVC souple qui recouvre certaines pièces comme les manches de pinces a un aspect brillant.
C'est après le PE, le plastique le plus utilisé au monde. Il est largement employé dans l’industrie de l'ameublement et dans le bâtiment ou le génie civil (cap sciences, 2006).
Les polyamides (PA)
C'est la première matière plastique à avoir été découverte en 1938. Selon la longueur des chaînes, on obtient différents types de PA que l’on distingue par des chiffres. Par exemple le PA 6.6 est le nylon. Ce sont des polymères qui offrent un bon compromis entre des qualités mécaniques, thermiques et chimiques. Les polyamides sont utilisés pour réaliser des pièces moulées dans l'appareillage ménager et automobile, des tapis et des moquettes, de la robinetterie, de la serrurerie, des engrenages, des textiles (lingerie et voilages)... L'inconvénient principal de tous les polyamides est qu’ils sont hydrophiles ce qui limite leur usage pour certaines pièces mécaniques (cap sciences, 2006).
1.1.2.2. Les thermodurcissables
Les thermodurcissables sont des plastiques qui prennent une forme définitive au premier refroidissement. La réversibilité de forme est impossible car ils ne se ramollissent plus une fois moulés. Sous de trop fortes températures, ils se dégradent et brûlent (carbonisation). Les molécules de ces polymères sont organisées en de longues chaînes dans lesquelles un grand nombre de liaisons chimiques solides et tridimensionnelles ne peuvent pas être rompues et se renforcent quand le plastique est chauffé. La matière thermodurcissable garde toujours sa forme en raison de ces liaisons croisées et des pontages très résistants qui empêchent tout glissement entre les chaînes les plus connus. (cap sciences, 2006).
Les polyuréthanes (PUR)
Ils sont formés par l’association d’un iso cyanate (composé organique comprenant la séquence : -N=C=O) et par un alcool (composé organique dont l'un des carbones est lié à un ou plusieurs groupements hydroxyle –OH). En fonction des associations chimiques réalisées avec différents monomères on peut obtenir des colles, des élastomères, des mousses souples ou rigides grâce à des agents d’expansion, des polyuréthanes solides et compacts que l’on peut renforcer par de la fibre de verre. On les utilise pour fabriquer des matelas, des sièges de voiture, des tableaux de bord, des roues de patins à roulettes ou des chaussures de ski… (cap sciences, 2006).
Les polyesters insaturés
Ils sont obtenus par réaction de condensation entre différents polyacides et des glycols (éthylène glycol, propylène glycol). Ces produits appelés époxydes sont des substances chimiques comportant un oxygène ponté sur une liaison carbone – carbone. Ils sont dilués ultérieurement dans un monomère non saturé comme le styrène. Quand un catalyseur est introduit dans cette résine, les produits se combinent provoquant un durcissement irréversible appelé la réticulation qui correspond à l’apparition de liaisons chimiques formant un réseau macromoléculaire tridimensionnel.
Le polyester sert surtout à fabriquer des fibres textiles artificielles, les tissus produits sont brevetés sous les noms de Dacron, de Tergal ou de Térylène. La fibre
10 l'habillement. Ses applications se sont aussi diversifiées dans l'industrie, notamment sous forme de films destinés à l’agriculture, aux travaux publics, aux coques et cabines de bateaux, aux carrosseries d'automobiles, aux piscines (cap sciences, 2006).
Les phénoplastes (PF)
Dans ce groupe, une des plus anciennes matières plastiques connue est la Bakélite. Ce matériau providentiel a eu d'innombrables applications dans les domaines scientifiques et dans la réalisation d'objets: téléphones, postes de radio. Ces résines thermodurcissables résistent très bien aux produits chimiques et à la chaleur. Elles sont également électriquement isolantes. On peut les transformer par moulage et par compression pour fabriquer les poignées de casserole, de fer à repasser et des plaques de revêtement (cap sciences, 2006).
Les aminoplastes (MF)
Ces produits résineux sont essentiellement utilisés en stratification sur des textiles plastifiés, les panneaux de bois agglomérés pour le mobilier de cuisine et les plans de travail (cap sciences, 2006).
Les élastomères
Ces polymères présentent les mêmes qualités élastiques que le caoutchouc. C’est un procédé de cuisson et de durcissement qui permet de créer un réseau tridimensionnel plus ou moins rigide sans supprimer la flexibilité des chaînes moléculaires. On introduit dans l’élastomère au cours de la vulcanisation du souffre, du carbone et différents agents chimiques. Différentes formulations permettent de produire des caoutchoucs de synthèse en vue d’utilisations spécifiques. Les élastomères sont employés dans la fabrication des coussins, de certains isolants, des semelles de chaussures ou pneus (cap sciences, 2006).
1.1.3. Propriétés des matières plastiques
1.1.3.1. Propriétés mécaniques :
Les propriétés mécaniques des matériaux sont généralement liées à leur architecture moléculaire. Les polymères thermodurcissables sont souvent rigides et
fragiles tandis que les polymères thermoplastiques et les élastomères montrent une résistance mécanique médiocre très affectée par la température.
La structure des polymères est reliée aux propriétés thermomécaniques. Par exemple, lors de la mise en œuvre par injection, les plastiques amorphes sont plus tolérants que les semi-cristallins (ces derniers ont une prédisposition à cristalliser). Le taux de cristallinité d'un polymère influence les propriétés mécaniques (le module d'Young augmente lorsque le taux de cristallites augmente. Inversement, la limite de déformation élastique diminue).
Les propriétés mécaniques font partie des propriétés intrinsèques des matériaux et sont définies à partir d'essais comparatifs, normalisés. En général, les normes utilisées sont ISO, ASTM ou des normes « maisons » lorsque les tests sont directement liés aux propriétés d'usage.
Les propriétés mécaniques sont ensuite utilisées pour prédire les propriétés finales des objets finis. Cependant, certaines caractéristiques structurales liées à la transformation des matières plastiques, telles le degré de cristallinité, l'orientation des chaînes macromoléculaires, ou les tensions internes résultant des conditions de mise en œuvre et de refroidissement, peuvent influencer les propriétés de l'objet. Ces propriétés sont appelées propriétés de transformation.
Un grand nombre d'essais mécaniques utilisés pour caractériser les matières plastiques découle des techniques d'analyse des métaux telles la mesure du module d'élasticité, de la résistance à la traction et de l'allongement à la rupture. Le tableau 1.2 présente les caractéristiques mécaniques de quelques polymères.
12 Tableau 1.2 : Caractéristiques mécaniques de quelques polymères (Vacour, 2013)
Abréviations
Figure 1.2 –Caractérisation mécanique: courbe contrainte déformation établie sur un échantillon de trois matériaux type (Résistance des matériaux, 2013).
la courbe A illustre le caractère en contrainte-déformation d'un polymère rigide.
Le polymère a un comportement fragile (faible allongement à la rupture)
la courbe B montre que le comportement de certains matériaux plastiques est semblable à celui de nombreux matériaux métalliques : la déformation élastique initiale est suivie d'une déformation plastique. Le matériau est tenace (fort allongement à la rupture) ;
la courbe C indique une déformation élastique dans un large domaine de déformation ; ce comportement mécanique est typique d'un élastomère.
Les matières plastiques ont des propriétés mécaniques influencées par les principaux facteurs suivants : la température, la cohésion des polymères, la modification des propriétés mécaniques moléculaires des polymères, leurs conditions de transformation.
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Figure 1.3- Influence de la température : courbe établie pour un échantillon de plastique à différentes température (Résistance des matériaux, 2013).
1.1.3.2. Propriétés thermiques
La plupart des polymères thermoplastiques ne sont pas utilisés au-dessus de 120°C, température à laquelle se produit un ramollissement (pour les amorphes) ou une fusion (pour les semi-cristallins), qui supprime les propriétés mécaniques. Les polymères thermoplastiques amorphes sont utilisés en dessous de leur température de transition vitreuse Tg, à l'état vitreux. En principe, les matières thermodurcissables ont une meilleure tenue thermomécanique (à la chaleur, au feu, au fluage, faible retrait, etc.) et chimique que les thermoplastiques. Les meilleurs thermostables sont des thermodurcissables.
On peut classer les polymères en deux types, en fonction de leur comportement à la chaleur: les thermoplastiques (polymères linéaires, ramifiés ou non) et les thermodurcissables (polymères tridimensionnels, réticulés).
Les polymères thermoplastiques portés à une température suffisante (au-dessus de leur température de transition vitreuse Tg ou de fusion Tf), se trouvent à l'état « fondu » (état fluide ou déformable) et sont donc susceptibles de s'écouler sous l'action d'une contrainte. Les polymères thermodurcissables durcissent lors d'un premier refroidissement (ou éventuellement à température ambiante). Dans le domaine des peintures, c'est une propriété très souvent mise à profit. Le tableau 1.3 présente les caractéristiques thermiques de quelques polymères.
Tableau 1.3 : Température de fusion de quelques polymères (Obra, 2013)
Type Abréviations
normalisées Point de fusion Température d'utilisation Acrylonitrile butadiène
styrène ABS 130°C 60°C /-35°C
Polyacétal ou
Polyoxyméthylène POM 165°C 100°C /-45°C
Polyamide 6,6 PA 6-6 255°C 120°C /-30°C
Polyamide 6 PA6 220°C 100°C /-40°C
polycarbonate PC 230°C 135°C /-60°C
Polyéthylène téréphtalate PET 255°C 100°C /-20°C
Polyester
Polytétrafluroéthylène PTFE 325°C 260°C /-200°C
Polychlorure de vinyle PVC 125 60°C /-10°C
Nous avons beaucoup parlé de la sensibilité des polymères à température parce que leurs liaisons atomiques sont peu résistantes à l’agitation thermique, leurs coefficients de dilatation sont élevés ; cela crée des difficultés dans les assemblages
16 métaux-polymères. Elle peut être dix fois supérieure à celle des métaux (cas des thermoplastiques).
Cependant, ce fort coefficient de dilatation est associé à une conductibilité thermique très faible. La conductibilité thermique des polymères est environ cent fois plus faible que celle des métaux (www.groupe-genipolymers.com). Le tableau 1.4 expose les chiffres comparés des propriétés thermiques de quelques matériaux.
Tableau 1.4 : Comparaison des caractéristiques thermiques de quelques matériaux à 20°C (DUPEUX, 2004)
Parmi ses qualités, le plastique qui continue de se découvrir porte des atouts dont nous citerons : (Techno science, 2005)
Résistance aux agents chimiques : en règle générale, les polymères résistent aux acides et aux bases ; les études révèlent une grande inertie chimique du PTFE et du PE en raison de leur structure.
Elasticité élevée : jusqu’au 800% d’élongation à la rupture pour le PEHD.
Intérêt en vibro-acoustique : certains plastiques sont des amortisseurs vibratoires ; exemple : copolymère bloc SIS poly (styrène-b-isoprène)
Transparence : la plupart des polymères thermoplastiques amorphes non chargés (et non colorés…) sont transparents (PMMA, PC, PS,…etc.)
Résistance à l’impact : certains plastiques manifestent une grande résistance à l’impact (PC, PET, PMMA,etc.)
Résistance à l’abrasion : certains sont résistants à l’abrasion (PTFE, PVC rigide, polyamides, PET, aminoplastes, etc.). Le PTFE possède un coefficient particulièrement faible qui lui permet d’être un lubrifiant solide.
La convivialité : Ce matériau accepte avec une relative facilité les charges et les ajouts qui permettent de le teinter dans la masse, de doper sélectivement ses propriétés et de tendre maintenant vers les plastiques biodégradables.
Etanchéité : Ce matériau dispose de beaucoup de références en matière d’étanchéité à l’air et à l’eau.
1.1.4. Type de polymérisation
La polymérisation désigne la réaction chimique ou le procédé par lequel des molécules de bas poids moléculaires (par exemple des hydrocarbures de 2 à 10 atomes de carbone) réagissent entre elles pour donner des molécules de poids moléculaires dix, cent ou des millions de fois plus grands (cap sciences, 2006).
Dans cette définition, les molécules de bas poids moléculaires sont les monomères et celles de poids moléculaire élevés sont des polymères.
Il existe deux grands types de réactions de polymérisation qui fournissent différents plastomères.
1.1.4.1. La polymérisation par étape ou polycondensation
C’est une réaction chimique répétée impliquant la formation de sous-produits (cap-sciences, 2006).
Au cours de la synthèse, catalysée parfois par un acide, un très grand nombre de monomères réagissent tels quels et se lient les uns aux autres. Les molécules initiales forment de plus grosses molécules, des bouts de chaîne qui associent des monomères
18 d’autres et finissent par former une très longue chaîne. Les polymères synthétisés par ce type de réaction sont par exemple :
les fibres polyamides comme le nylon. Chimiquement, le nylon est un polymère constitué par des motifs reliés par des liaisons amide d’où son nom de polyamide. Le plus connu est le Nylon 6,6 qui est utilisé comme textile et pour les petits objets. On peut le mouler à chaud (thermoplastiques) ou l’usiner pour fabriquer des pièces automobiles.
Photo 1.1: le nylon 6.6 (cap sciences, 2006)
les polyesters : le plus connu est le Tergal. Il existe également dans cette famille le polyéthylène téréphtalate ou PET.
les polyuréthanes : utilisés en mousse pour le remplissage des coussins. Ce sont de très bons isolants thermiques mais ils sont très inflammables.
les résines : Les résines phénoliques ont un réseau tridimensionnel. Elles sont utilisées en raison de leur dureté comme matériaux de revêtement et de placage pour les plans de travail dans les cuisines.
1.1.4.2. La polymérisation en chaine ou polyaddition
C’est une réaction qui aboutit à la formation de polymères par additions successives de monomères sur une extrémité de la chaîne macromoléculaire (cap sciences, 2006). Cette réaction comporte trois étapes successives :
La phase d’amorçage au cours de laquelle un activateur se lie à un monomère créant ainsi un centre actif (amorceur ou initiateur) d’où démarre la polymérisation.
Une phase de propagation durant laquelle l’activité de ce monomère se propage
au dernier monomère capté pour la création de chaines. Dans ce cas, la croissance d'une chaîne polymère résulte exclusivement de réaction(s) entre monomère(s) et site(s) réactif(s) de la chaîne;
Enfin une phase de terminaison/transfert, au cours de laquelle le centre actif finit par être détruit (la molécule polymère rencontre une espèce chimique qui désactive le monomère en bout de chaîne) entrainant l’arrêt de la croissance de la chaine. La nature de l'extrémité active détermine le nom de la réaction de polyaddition.
Photo 1.2: Fil de PE (cap sciences, 2006)
— Le polypropylène (PP) :
De formule chimique (CH2-CH-CH3) n, le polypropylène est produit en films ou en pièces. Il se trouve dans les équipements automobiles (pare-chocs, tableau de bord, salon de jardin…) et aussi très fréquent dans les emballages alimentaires pour sa transparence et son aspect brillant en film plastique.
Photo 1.3: Elément de salon de jardin en pp (cap sciences, 2006)
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— Le polystyrène (PS) :
De formule chimique (CH2-CH- C6H5) n, le polystyrène se fabrique à partir du styrène, sa synthèse se fait en émulsion ou en solution. C’est un très bon isolant électrique et thermique servant entre autre à fabriquer les gaines des câbles électriques. Il est utilisé aussi comme emballage car il est souple, malléable et résistant à la déchirure : pots de yaourts, jouets, cabines de douche… (Emballage de protection : polystyrène expansé)
Polymérisation du styrène, pour synthétiser du polystyrène :
Polymérisation du styrène, pour synthétiser du polystyrène :