…… Cours no 10

Cours no 10

Matériaux et techniques Matière plastique

Une matière plastique est essentiellement constituée de mac- romolécules (ou polymères). C’est généralement une matière qui peut être moulée.

Macromolécule, polymère

Une macromolécule est une molécule géante (constitué de plus de mille atomes). Dans le cas des matières plastiques, on parlera de polymères. La figure suivante est une représenta- tion schématique de deux molécules de polyéthylène.

Polymérisation

La polymérisation consiste à unir ensemble des monomères pour former des polymères. Les termes « polymère », « plas- tique » et « résine de synthèse » sont synonymes.

Exemple de polymérisation

Éthylène Polyéthylène

H

H C

H

H C

H

H C

H

H C

H

H C

H

H

…

…

Familles de matières plastiques

Il existe deux grandes familles de matière plastique : Les thermoplastiques ;

Les thermodurcissables.

Les thermoplastiques

La majorité des objets courants qui nous entourent sont faits (entièrement ou partiellement) à partir de matières thermo- plastiques.

Au niveau moléculaire, les thermoplastiques sont constitués de polymères organisés de façon linéaire. C’est-à-dire que les atomes sont disposés à la façon d’une chaine. Les atomes de carbone jouent le rôle de maillon de la chaine (sauf pour le silicone où c’est ici le silicium qui joue ce rôle). D’autres atomes complètent la chaine latéralement ou même comme maillon intermédiaire. Le plus courant de ces atomes est l’hydrogène, mais on peut retrouver de l’oxygène, du chlore, du fluor, de l’azote, etc.

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Les chaines moléculaires sont liées l’une par rapport à l’autre par des liens faibles. Mais comme il s’agit de polymère ce type de lien se répète des centaines de fois ce qui permet de créer un solide. Parce qu’ils ne sont pas liés par des liens forts, les chaines des thermoplastiques glissent facilement l’une par rapport à l’autre s’ils sont exposés à la chaleur. C’est pourquoi on les appelle thermoplastiques.

Pour une définition plus complète concernant les polymères, consultez le site de l’Association canadienne de l’industrie des plastiques (www.plastics.ca).

Un polymère thermoplastique peut être amorphe ou semi- cristallin. On dit semi-cristallin parce qu’un polymère thermoplastique aura toujours des ensembles de molécules disposés aléatoirement. Une matière plastique translucide est généralement semi-cristalline et une matière transparente est toujours amorphe.

La figure suivante représente schématiquement une organisa- tion cristalline à en bas à gauche et une disposition amorphe en haut à droite.

Une bouteille de polyester est transparente. Pourtant, si on l’expose à la chaleur avant de la refroidir lentement la bouteille deviendra translucide (presque blanche opaque) parce que l’on aura donné l’occasion aux molécules de se réorganiser en cristaux.

Parce qu’ils peuvent être fondus et remis en forme, les thermoplastiques sont des matières considérées comme recyclables. De nos jours, toutes les matières plastiques cou- rantes que l’on manipule (et jette) tous les jours (polymères de grande diffusion ou polymères industriels) ainsi que la majorité des matières plastiques à haute performance (polymères techniques) sont des thermoplastiques.

Normalement un designer industriel doit connaitre par cxur la liste et l’usage des matières plastiques courantes en plus de connaitre les principaux thermoplastiques techniques.

La liste suivante donne les thermoplastiques courant ainsi que le symbole de recyclage correspondant. Commencez à apprendre à les identifier et observer l’usage que l’on en fait. À la fin de vos études, il est impératif que vous ayez une bonne connaissance qualitative de ces matériaux. Prenez note que certains polyesters thermoplastiques sont considérés parfois comme des polymères techniques.

Symboles pour le recyclage des thermoplastiques :

1

PETE

Téréphtalate de polyéthylène (PET) ;

2

HDPE

Polyéthylène haute densité (HDPE) ;

3

PVC

Chlorure de polyvinyle (PVC) aussi appelé vinyle (V) ;

4

LDPE

Polyéthylène basse densité (LDPE) ;

5

PP

Polypropylène (PP) ;

6

PS

Polystyrène (PS) ;

7

OTHER

Autres matières plastiques et mélanges.

Les principaux thermoplastiques techniques utilisés par les designers industriels sont l’ABS (acrylonitrile butadiène styrène), le polycarbonate (ou Lexan) (PC), le polyamide (ou nylon) (PA), l’acétal (ou polyoxyméthylène) (POM) et l’acrylique (ou Plexiglas Polyméthacrylate de Méthyle) (PMMA).

Pour adapter la matière à une fonction particulière, on y ajoutera des adjuvants (un adjuvant est un additif qui amélio- re les propriétés). Par exemples, on peut rendre une matière plastique plus résistante au rayonnement ultraviolet du jour en lui ajoutant du noir de carbone, on peut rendre le PVC souple en lui ajoutant du plastifiant et on peut faire résister un polypropylène à une charge constante en lui ajoutant des renforts de fibre de verre.

En plus de l’énumération des matières plastiques donnée plus haut (et qui est incomplète) il est parfois possible d’utiliser des mélanges. On parle alors de multi phase. Il existe aussi des matières thermoplastiques élastomères. Bref, vous aurez fort à faire au cours des prochaines sessions pour vous familiariser avec toutes ces matières. Il importe de faire la distinction entre un mélange (multi phase de PC et PET par exemple) et un copolymère dont les différents monomères sont liés ensemble par des liens covalents sur la même chaine moléculaire. La figure suivante illustre schématiquement un copolymère d’ABS.

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ABS thermoplastique

acrylonitrile butadiène styrène

Les thermodurcissables

Beaucoup de matières plastiques sont faites de thermodur- cissables, mais, outre les mousses, les résines de formaldéhyde de phénol (bakélite utilisée pour faire des manches de poêle), le formaldéhyde de mélamine (FM) (la mélamine utilisée pour réaliser la surface des feuilles de cuisines et certains instruments de cuisine « incassable ») et les polyesters ther- modurcissables utilisés pour réaliser des composites (avec de la fibre de verre) leurs applications en design industriel sont relativement limitées.

Les thermodurcissables sont souvent utilisés pour leurs résis- tances à la chaleur. On les retrouvera dans des pièces expo- sées à la chaleur ou près de composant électrique générant de la chaleur.

Bien qu’il existe des élastomères thermoplastiques, les plus résistants sont en thermodurcissables (notons le caoutchouc naturel et la Silicone).

Contrairement au thermoplastique, les thermodurcissables ne peuvent être fondus, ils ne peuvent donc pas être récupérés comme les thermoplastiques. Cela est dû à l’organisation moléculaire que l’on dit tridimensionnelle. C’est-à-dire que les atomes forment des liens dans toutes les directions. La figure suivante est une représentation schématique d’une résine de formaldéhyde de phénol.

Puisqu’il s’agit d’une organisation tridimensionnelle, on peut dire de la poignée de casserole (moulée par com- pression) qu’il s’agit d’une seule molécule (en excluant les adjuvants et les éléments de remplissage).

Procédé de fabrication

Comme pour les métaux, les produits en matières plastiques peuvent être fabriqués par enlèvement de matière, pliage et soudage. Ces techniques de transformation demeurent cependant marginales.

Généralement on utilisera des procédés de mise en forme permettant de réaliser des séries importantes.

Mise en forme des matières thermoplastiques

Pour les matières thermoplastiques, on emploiera principale- ment les procédés suivants :

L’injection ; L’extrusion ;

L’extrusion soufflage ; L’injection soufflage ; Le thermoformage ; Le rotomoulage.

Moulage par injection

Extrusion

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Moulage par extrusion soufflage

Pression d’air

Moulage par injection soufflage

Thermoformage

Exposée à la chaleur, une pièce fabriquée par thermofor- mage ne passera pas directement de l’état solide à l’état liquide, mais elle reprendra la forme d’une feuille. À gauche, la pièce devient minuscule quand elle est exposée à la chaleur parce que la feuille qui a servi au thermoformage a été préalablement calandrée. À droite, la pièce a repris la forme d’une feuille et a rapetissé dans une seule direc- tion. Cela indique que la feuille initiale a probablement été étirée dans une direction après avoir été extrudée. Ce phénomène s’explique par la forme linéaire des molécules des polymères qui se comportent comme des ressorts qui ont la possibilité de se détendre au fur et à mesure de leurs expositions à la chaleur.

Rotomoulage

Mise en forme des matières thermodurcissable

Comme pour les matières thermoplastiques, il existe de nom- breux procédés permettant la mise en forme des matières thermodurcissable. Mais puisque leurs utilisations sont plus limitées nous nous contenterons de ne représenter que le moulage par compression.

Moulage par compression

Classification

À cause de leur grande variété et du savoir-faire nécessaire pour les produire, il n’existe pas de normalisation concer- nant la classification des matières plastiques à l’exception des abréviations standardisées existantes pour la majorité des matières plastiques. Une abréviation est insuffisante pour décrire une matière plastique. Par exemple, le polystyrène existe en plusieurs dizaines de variétés et la numérotation de ces variétés est totalement différente d’une compagnie à une autre.

On doit donc spécifier une matière plastique à partir de la nomenclature donnée par un fournisseur. Pour ne pas se restreindre à ce fournisseur, il est toujours possible d’ajouter la mention « ou équivalent » à côté du numéro du produit.

On peut s’initier au monde des plastiques en consultant ces différents sites :

Le Musée du Plastique Sandretto (museo.cannon.

com/museonew/france) ;

National Plastics Center (www.plasticsmuseum.org) ; GE Plastics résine (www.geplastics.com/resins/fr) ;

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Bayer MaterialScience (www.bayermaterialscience- nafta.com) ;

Basf, PlasticsPortal Global Home (www.plasticsportal.

net) ;

Eastman (www.eastman.com) ;

Dupont, Plastics (www.dupont.com/Plastics) ; Dow, Plastics (plastics.dow.com).

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