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Digeste de la construction au Canada; no. CBD-166F, 1976-02
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Les plastiques alvéolaires (mousses plastiques)
Blaga, A.
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 166F
Les plastiques alvéolaires (mousses
plastiques)
Publié à l'origine en février 1976 A. Blaga
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
Les plastiques alvéolaires (mousses plastiques) constituent des formes relativement nouvelles de matériaux à base de polymères. Ils sont légers, se prêtent à divers usages et sont de plus en plus employés dans des applications variées qui incluent: l'isolation thermique et phonique, les âmes (matériaux de cœur) des panneaux du type sandwich, la fabrication de meubles et de matériaux flottants. Le présent digest se rapporte à la nature, à la terminologie et aux propriétés générales des plastiques alvéolaires; des digests ultérieurs serviront à en décrire les principaux types industriels.
Nature générale
Un plastique alvéolaire consiste en une phase gazeuse dispersée dans une phase solide en plastique; il tire ses propriétés des deux phases. L'élément plastique solide constitue la matrice. La phase gazeuse est contenue dans des cavités ou alvéoles (cellules) et elle est souvent appelée agent gonflant ou agent moussant. Il convient cependant de signaler que l'agent gonflant utilisé dans la production des plastiques alvéolaires n'est pas toujours gazeux ni chimiquement identique au constituant gazeux. Certains agents gonflants sont solides, d'autres sont liquides. Le terme «plastique alvéolaire» synonyme de mousse plastique, est dérivé de la structure du matériau.
Les plastiques alvéolaires peuvent avoir des alvéoles ouverts ou des alvéoles fermés. Dans les mousses plastiques à alvéoles fermés, chaque alvéole (ayant une forme plus ou moins sphérique) est complètement enfermé par une mince paroi ou membrane en plastique (figures 1 et 2), tandis que dans les plastiques alvéolaires à alvéoles ouverts, les alvéoles individuels sont reliés entre eux (figure 3). Les termes mousses plastiques, plastiques cellulaires et plastiques alvéolaires sont employés indifféremment, quelle que soit la nature de l'alvéole (ouvert ou fermé). Le terme «plastique expansé» désigne les matériaux à alvéoles fermés; le
terme «éponge» sert parfois à désigner les plastiques alvéolaires à alvéoles ouverts (par exemple, le caoutchouc spongieux).
Figure 1. Photomicrographie*de la section transversale d'une mousse de polyuréthane rigide (à alvéoles fermés), 10X.
Figure 2. Photomicrographie* de la section transversale d'une mousse de phénol-formaldéhyde rigide (à alvéoles fermés), 10X.
Figure 3. Photomicrographie au MEB** de la section transversale d'une mousse de polyuréthane flexible (à alvéoles ouverts), 20X.
Les plastiques alvéolaires peuvent être souples, semi-souples (ou semi-rigides) et rigides, selon la composition chimique et la rigidité de la résine utilisée comme matrice. Les plastiques alvéolaires souples ont une température de transition vitreuse (Tv) inférieure à la température ambiante, tandis que les plastiques alvéolaires rigides ont une Tv supérieure à la température ambiante.
Matrice plastique
La matrice est composée de la résine de base et d'autres substances qui peuvent comprendre: des plastifiants, des stabilisants, des agents tensio-actifs, des teintures et pigments, des agents d'auto-extinguibilité et des charges. La composition de la matrice plastique a une influence importante sur des propriétés telles que la résistance chimique, la stabilité thermique, l'inflammabilité, la chaleur spécifique, la température de transition et la rigidité.
En ce qui concerne la résine de base de la matrice, les plastiques alvéolaires peuvent être soit thermoplastiques, soit thermodurcissables. Les thermoplastiques alvéolaires sont à base de polymères linéaires (CBD 154F et 158F) et présentent une gamme de points de fusion bien définis normalement associés à la résine de base de la matrice. Par contre, les plastiques alvéolaires thermodurcissables, qui sont à base de polymères réticulés (CBD 159F) ne présentent normalement pas une gamme bien définie de points de fusion, bien qu'ils puissent subir un certain écoulement plastique, à température élevée. Les thermoplastiques alvéolaires types sont à base de: polystyrène, poly(chlorure de vinyle) (PVC), polyoléfines (polyéthylène et polypropylène) et ABS. Les plastiques alvéolaires thermodurcissables ordinaires incluent: les alvéolaires à base de résine polyuréthane, de phénol-formaldéhyde (résine phénolique), d'urée-formaldéhyde ainsi que ceux à base de résines époxydes.
La phase gazeuse et les agents gonflants
Alors que la nature chimique et physique de la matrice constitue le principal facteur qui détermine la plupart des propriétés des plastiques alvéolaires, la composition de la phase gazeuse a une influence importante sur certaines propriétés, telles que la résistance thermique. Les agents gonflants ou agents moussants utilisés pour produire la structure alvéolaire peuvent se diviser en deux classes: agents physiques et agents chimiques. Les agents physiques ne subissent qu'une modification physique pendant la formation de la mousse. Les plus courants sont les liquides organiques à faible point d'ébullition, tels que les hydrocarbures et les hydrocarbures halogénés qui forment des alvéoles au sein de la matière plastique, en passant de l'état liquide à l'état gazeux sous l'influence de la chaleur. Les gaz (par exemple, l'azote) constituent un autre groupe de substances qui appartiennent à cette classe. Lorsque des
agents physiques sont utilisés pour former les alvéoles, la phase gazeuse du plastique alvéolaire est chimiquement identique à celle de l'agent gonflant.
Les agents chimiques sont stables à la température normale d'entreposage et dans des conditions de transformation bien précises, mais subissent une décomposition accompagnée d'une évolution gazeuse réglable, à des températures raisonnablement bien définies (ou conditions de réaction). Lorsqu'on utilise de tels agents pour former les alvéoles, la phase gazeuse du plastique alvéolaire qui en résulte est différente de l'agent gonflant (ordinairement une substance solide). Les agents gonflants de cette classe ordinairement employés sont les composés organiques de l'azote (par exemple, l'azodicarbonamide); ils produisent surtout, de l'azote et de faibles proportions d'autres gaz. L'eau est un agent gonflant bien connu encore utilisé dans la production de certaines mousses de polyuréthane. L'eau réagit avec l'isocyanate du mélange moussant pour engendrer du gaz carbonique (CO2), qui produit la structure
alvéolaire, La phase gazeuse (gaz carbonique) du plastique alvéolaire qui résulte est différente de la substance utilisée comme agent gonflant. On peut donc considérer l'eau comme une sorte d'agent gonflant chimique.
Bien que le gaz engendré pendant la formation des alvéoles soit initialement présent dans les plastiques à alvéoles fermés, en service il peut diffuser lentement des alvéoles et être remplacé progressivement par l'air, par la vapeur d'eau et par le CO2provenant de l'atmosphère.
La structure alvéolaire (cellulaire)
La structure des alvéoles (cellules) détermine certaines propriétés et a par conséquent une influence sur le type d'application du plastique alvéolaire. Les plastiques à cellules ouvertes offrent peu de résistance au passage des liquides et des gaz. Le principe général est que les plastiques alvéolaires souples ont une structure à alvéoles ouverts, tandis que les plastiques alvéolaires rigides ont des alvéoles fermés. La structure alvéolaire dépend du procédé utilisé pour produire la mousse plastique; dans certains cas, on peut produire des plastiques alvéolaires souples et rigides qui peuvent avoir des cellules ouvertes ou fermées (par exemple, le PVC). En général, un plastique alvéolaire ne contient jamais entièrement un seul type d'alvéoles (la structure à alvéoles ouverts ou fermés signifie qu'en majorité, les alvéoles sont respectivement ouverts ou fermés). Par exemple, la plupart des mousses de polyuréthane rigide contiennent une forte proportion d'alvéoles fermés, ordinairement de 85 à 95 pour cent, pour une mousse de 2 lb/pi³.
Dans une mousse plastique à alvéoles ouverts, la phase gazeuse est inévitablement l'air. Les mousses à alvéoles ouverts absorbent bien le son et lorsqu'elles sont flexibles, elles présentent des propriétés amortissantes. Par conséquent, elles conviennent parfaitement comme matériaux d'isolation phonique et d'amortissement des chocs (par exemple, les mousses de polyuréthane souples).
Dans une mousse plastique à alvéoles fermés, la membrane polymère formant les parois des alvéoles constitue une barrière qui s'oppose au passage des gaz et des liquides, bien que les gaz puissent traverser la membrane par le processus de diffusion lente. Par conséquent, les mousses à alvéoles fermés présentent un taux d'absorption d'eau et une perméabilité à la vapeur d'eau plus faibles que ceux des mousses à alvéoles ouverts. Si la phase gazeuse a une faible conductivité thermique et si elle est captive, les mousses à alvéoles fermés ont ordinairement une plus grande résistance thermique que celles à alvéoles ouverts qui sont remplies d'air (CBD 149F). La grosseur des alvéoles exerce aussi une influence sur la résistance thermique.
Fabrication des plastiques alvéolaires
On peut produire la structure alvéolaire des mousses plastiques par des procédés physiques, chimiques ou mécaniques. Dans toutes les méthodes, le matériau à transformer en mousse se trouve à l'état liquide ou plastique pendant une partie de l'opération.
Les méthodes physiques les plus employées incluent l'expansion d'un gaz dissous dans un mélange de résine fondue, en réduisant la pression (par exemple, l'extrusion de la mousse de
polyéthylène utilisant de l'azote gazeux comme agent moussant), la volatilisation d'un liquide à faible point d'ébullition au sein de la masse polymère, soit par application de chaleur extérieure, soit sous l'influence de la chaleur de la réaction (par exemple, la fabrication de la mousse de polyuréthane avec un hydrocarbure halogéné).
Dans la méthode de préparation chimique des mousses, le gaz qui produit la structure alvéolaire résulte de la décomposition chimique d'un agent gonflant; par exemple, dans la production de certaines mousses de PVC, la décomposition d'un composé organique azoté libère l'azote gazeux.
Dans la troisième méthode, on utilise une batteuse à mousse pour fouetter des gaz (écumage) dans un matériau polymère (masse fondue, suspension ou solution). Lorsque le matériau durcit, il emprisonne les bulles de gaz dans la matrice et produit ainsi une structure alvéolaire. Les diverses techniques employées ordinairement dans la préparation des produits alvéolaires incluent: l'expansion in situ (en place), l'expansion au pistolet, l'extrusion, le moulage par injection et la fabrication en continu sous forme de bloc.
La masse spécifique (densité absolue)
Le rapport du gaz à l'élément plastique solide détermine la masse spécifique, qui a une influence considérable sur les autres propriétés physiques de la mousse. En réalité, de nombreuses propriétés importantes, y compris la résistance thermique, la résistance mécanique et la capacité thermique, sont particulièrement liées à la masse spécifique (densité absolue, densité). Par conséquent, les déterminations de la masse spécifique constituent une opération régulière au cours de toute analyse, car cela permet généralement d'identifier les caractéristiques des mousses.
La masse spécifique des plastiques alvéolaires peut varier de 0.1 à 60 lb/pi³ ou plus; la plupart des mousses du commerce ont une masse spécifique allant de 1.5 à 2.5 lb/pi³. En général, les mousses rigides à faible masse spécifique (inférieure à 4 lb/pi³) servent à fabriquer les isolants thermiques, et sont utilisées comme matériaux insubmersibles et comme emballages de protection; les matériaux à masse spécifique élevée sont employés pour fabriquer des éléments de construction, ainsi que des meubles.
La résistance thermique des mousses rigides
Le degré d'isolement thermique fourni par un spécimen de mousse rigide est représenté par son «facteur R», c'est-à-dire, par sa résistance thermique. Habituellement, on établit la comparaison entre les spécimens de diverses mousses, d'après leur résistance thermique par pouce d'épaisseur. Cette valeur peut être calculée à partir de l/k, où k est la conductivité thermique d'un spécimen ayant 1 pouce d'épaisseur, appelé aussi «facteur k» (pour 1 pouce d'épaisseur). Dans le cas des spécimens d'épaisseurs différentes, il est souvent nécessaire de mesurer la valeur réelle du facteur R, car la résistance thermique par pouce d'épaisseur et le facteur k peuvent dépendre de l'épaisseur du spécimen (CBD 149F).
Deux méthodes sont ordinairement utilisées pour mesurer la résistance thermique d'un spécimen d'isolant, ce sont: ASTM C177 (guarded hot plate) ou bien ASTM C518 (heat flow meter). Une autre méthode, ASTM D-2326 (probe), sert surtout à vérifier la qualité. La résistance thermique dépend de la teneur en eau, de la masse spécifique, de la structure et de la grosseur des alvéoles, de la composition du gaz des alvéoles et de la température à laquelle la mousse est utilisée. En général, la résistance thermique diminue selon la teneur en eau de la mousse. C'est une fonction complexe de la masse spécifique et de la grosseur des alvéoles. Les spécimens de mousse dans lesquels la phase gazeuse est l'air ou bien CO2 ont une résistance
thermique plus faible que les spécimens identiques dont la mousse est expansée au moyen d'hydrocarbures halogénés. Par exemple, un plastique alvéolaire rigide type contenant de l'air, présente une résistance thermique stable d'environ 3.5 à 5 unités (°F/Btu/h/pi²) pour 1 pouce d'épaisseur. La résistance thermique initiale d'un spécimen de mousse rigide type de 1 pouce d'épaisseur contenant du fluorocarbure 11 (fluorotrichlorométhane) va de 6 à 9 unités. A mesure que les mousses vieillissent, d'air et la vapeur d'eau pénètrent dans les alvéoles et le
gaz captif s'en échappe. La résistance thermique diminue avec une rapidité relative, puis plus lentement à long terme (CBD 149F).
Comportement au feu
Etant donné que les plastiques alvéolaires ont une surface totale relativement grande, le problème de l'inflammabilité prend une plus grande acuité qu'avec les plastiques compacts. Les mousses thermoplastiques telles que le polystyrène fondent ordinairement au cours d'un incendie et risquent de produire des gouttes de plastique fondu et enflammé qui peuvent augmenter le danger d'incendie. Les tentatives pour réduire l'inflammabilité des plastiques alvéolaires sont analogues à celles utilisées dans le cas des plastiques compacts. La plupart des mousses du commerce peuvent être modifiées de façon à améliorer leur tenue au feu. Dans leurs applications, il faut aussi tenir compte des produits de combustion des plastiques (CBD 144F).
Flottabilité
Les plastiques rigides, à masse spécifique basse et à alvéoles fermés, flottent bien et par conséquent sont largement utilisés pour fabriquer des matériaux insubmersibles. Dans ces matériaux chaque alvéole constitue un flotteur individuel. Le facteur initial de flottabilité d'une mousse est égal à la densité du liquide sur lequel elle flotte, moins la densité de la mousse. Par exemple, un pied cube d'un plastique alvéolaire ayant une masse spécifique de 2 lb/pi³ peut supporter une charge de: 60.5 lb/pi³ [62.5 lb/ pi³ (masse spécifique de l'eau) -2.0 lb/pi³]; le facteur diminue au fur et à mesure que la mousse absorbe de l'eau.
Durabilité des plastiques alvéolaires
La bonne performance d'un matériau dans le domaine de la construction dépend de ses qualités par rapport à la fonction qu'il doit remplir. En général, la bonne pratique consiste à suivre les instructions du fabricant (ou des fournisseurs) du plastique alvéolaire concernant les types d'applications et la méthode d'installation.
La résistance des plastiques alvéolaires aux intempéries est ordinairement aussi bonne que celle des matières plastiques utilisées pour fabriquer la mousse. L'exposition prolongée au rayonnement solaire entraîne la dégradation de la résine de base, ainsi qu'une détérioration de sa structure et par conséquent, de sa performance. Les plastiques alvéolaires doivent être protégés contre la lumière solaire directe ou la lumière ultraviolette de forte intensité. Dans la plupart des cas, on y parvient en posant un revêtement opaque au rayonnement ultraviolet. Du fait qu'elles sont inertes, la plupart des mousses plastiques résistent aux attaques des bactéries et des champignons. Cependant, nombreux plastiques alvéolaires contiennent un minimum d'adjuvants tels que des plastifiants, des stabilisants, des lubrifiants et des colorants qui peuvent être susceptible à une attaque microbiologique.
Formes fabriquées
Etant donné la vaste gamme éventuelle des techniques d'installation, il existe diverses formes de plastiques alvéolaires: mousses rigides à alvéoles fermés, mousses rigides à alvéoles ouverts, mousses souples à alvéoles ouverts, mousses souples à alvéoles fermés, combinaisons des mousses précédentes, ainsi que des blocs, dalles, planches, plaques et nombreuses formes moulées. En outre, il existe des mélanges liquides préparés à l'avance (par exemple, pour les mousses thermodurcissables) vendus en deux ou trois parties. Ces mélanges peuvent être transformés en mousse par expansion in situ, par fouettement avec une batteuse à mousse au moyen d'un moule au pistolet, ou bien utilisés dans des applications d'encapsulation et d'enrobage.
Comparaison entre les plastiques alvéolaires et les matériaux classiques
Par rapport aux matériaux traditionnels tels que le bois, le verre, le métal et le béton, les plastiques alvéolaires sont légers et ont en général un fort rapport de la résistance mécanique au poids. Plusieurs sont de très bons isolants électriques. Les plastiques rigides à alvéoles
fermés et à faible masse spécifique sont insubmersibles et présentent divers degrés d'isolation thermique.
La stabilité dimensionnelle peut constituer un problème pour toutes les mousses; certaines se rétrécissent, d'autres se dilatent. En général, la stabilité dimensionnelle subit l'influence des hautes températures et de l'humidité élevée, ou bien des deux. Par conséquent, les concepteurs doivent bien connaître les caractéristiques des mousses qu'ils se proposent d'utiliser. Les produits en plastique alvéolaire se fabriquent facilement au moyen des outils servant à travailler le bois.
Résumé
Les plastiques alvéolaires (mousses plastiques) consistent en une masse de petites bulles gazeuses (phase gazeuse) dispersées dans une phase solide en plastique (matrice). Selon le type de matière plastique utilisé dans la matrice, les mousses peuvent être soit thermoplastiques, soit thermodurcissables. Les plastiques alvéolaires peuvent être à alvéoles ouverts ou à alvéoles fermés, selon le type d'alvéole qui prédomine. D'après le degré de rigidité, les plastiques alvéolaires peuvent être souples, semi-souples (ou semi-rigides) et rigides. Les plastiques rigides à alvéoles fermés peuvent présenter de bonnes propriétés d'isolation thermique et de flottabilité. Les mousses plastiques à alvéoles ouverts peuvent être d'excellents amortisseurs de choc (par exemple, les mousses souples) et de bons matériaux d'isolation phonique.
* photographiée par projection de la lumière transmise. ** microscope électronique à balayage.
