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Solution constructive, 1999-12-01
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Membranes de couverture en polyoléfine thermoplastique
Paroli, Ralph M.; Liu, Karen K. Y.; Simmons, Terrance R.
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Un systèm e d e cou vertu re classiqu e à faible p en te com p ren d trois élém en ts : un support stru ctu ral, u n isolan t th er-m iqu e et u n e er-m eer-m bran e d ’étan ch éité, qui est constituée de fibre ou de toile de renforcement insérée entre deux feuilles d e m atrice sou p le. Celle-ci est faite d e matériaux asphaltiques ou polymériques (figu re 1). Dan s les m em bran es m on o-cou ch e, la m atrice est faite d e p olym ère flexible. Grâce au ren forcem en t, la membrane présente une stabilité dimens-ion n elle et offre u n e gran d e résistan ce au x con train tes. Il s’agit la p lu p art d u tem p s d ’u n ren forcem en t en fils d e fibre de verre coupés court et regroupés d an s u n m at, ou en fibres d e p olyester con tin u es agen cées sou s form e d e grille ou d e m at n on tissé (figu re 2).
On distingue deux classes de membranes de couverture à base de polymère : les membranes th erm od u rcissables (TS) et les m em bran es th erm op lastiqu es (TP) (voir en cad ré A). Alors qu e les th erm op lastiqu es son t ram ollies p ar ch au ffage (p rocessu s réversible), les th erm o-d u rcissables n e réagissen t p as à la ch aleu r. Les thermodurcissables contiennent en général u n m on om ère d ’éth ylèn e-p rop ylèn e-d ièn e, appelé aussi « terpolymère d’éthylène-propylène-diène » (EPDM), alors que les thermoplastiques se retrou ven t d an s u n e gam m e p lu s large d e membranes de couverture, dont les polyoléfines th ermop lastiqu es (TPO).
Toutes les membranes de couverture thermo-p lastiqu es thermo-p résen ten t d es caractéristiqu es communes, notamment les joints soudés à chaud. En revan ch e, p ou r la p lu p art, elles p ossèd en t d es p rop riétés ch im iqu es, p h ysiqu es et
Membranes de couverture en
polyoléfine thermoplastique
p a r Ra lp h M. Pa roli, Ka re n K.Y. Liu e t Te rra nce R. S im m ons
Les polyoléfines thermoplastiques constituent une « nouvelle génération »
de systèmes de couverture monocouche. Ce numéro présente une analyse
des caractéristiques et des performances actuelles de ce type de système
ainsi que quelques éclaircissements sur des points mal compris à cause de
l’appellation proprement dite de ce produit.
Figure 1.Catégories de membranes pour couverture de faible pente
Figure 2.Renforcement généralement utilisé dans les membranes de couverture : a) mat de fibre de verre courte coupée au hasard, b) canevas de polyester, c) mat de polyester non tissé
2
m écan iqu es sp écifiqu es. Il serait d ifficile d ’exp liqu er ces d ifféren ces d an s cet article m ais il fau t tou t d e m êm e d ire qu ’il existe d es n orm es ASTM d ifféren tes, basées su r le m atériau , p ou r les d ifféren ts p rod u its th erm o-p lastiqu es. Pou r éviter tou te con fu sion , il n e fau t p as étiqu eter tou s ces p rod u its sou s la sim p le ap p ellation « th erm op lastiqu es » (TP). Les p olyoléfin es th erm op lastiqu es (TPO) p résen ten t p lu sieu rs sp écificités p ar rap p ort au x au tres th erm op lastiqu es et d oiven t d on c être ap p liqu és et traités d ifférem m en t.
Dé finit ion de s T PO
Il est d ifficile d e d on n er u n e d éfin ition d es p olyoléfin es th erm op lastiqu es.
Le term e « th erm op lastiqu e » est u n term e gén ériqu e d an s la scien ce d es p olym ères; il regrou p e u n e catégorie d e p olym ères qu i, tel qu e m en tion n é p récéd em m en t, ram ollissen t lorsqu ’ils son t ch au ffés, ce p rocessu s étan t réversible. Le terme « oléfine », quant à lui, est en core p lu s gén ériqu e car c’est le n om an cien d on n é en ch im ie au x m olécu les com p ortan t u n e liaison d ou ble carbon e-carbon e (le n om
m od ern e d e cette fam ille d e m olécu les est « alcèn e »). Tou s les p olym ères form és p ar liaison ch im iqu e d e p lu sieu rs m olécu les d ’oléfin e son t ap p elés « p olyoléfin es ».
Su ivan t le p lu s récen t p rojet d e n orm e ASTM visan t les TPO, leu r com p osition n ’est p as d u tou t sp écifiqu e. La n orm e in d iqu e qu e les TPO d oiven t con ten ir p lu s d e 95 % d e p olym ère TPO, en m asse. Le p olym ère lu i-m êi-m e n ’a p as été d éfin i d an s cette n ori-m e, qu i in d iqu e seu lem en t qu e la feu ille d oit con ten ir les p olym ères « ap p rop riés ». En raison d e cette d éfin ition qu i reste assez im p récise, la liste d es p rod u its ch im iqu es en tran t d an s cette catégorie est san s fin (exem p les : p olyéth ylèn e, p olyp rop ylèn e et isobu tylèn e, ain si qu e leu r d érivés). Id éalem en t, les fabri-can ts d evraien t in d iqu er le n om d u p olym ère exact lors d e leu rs op ération s d e m arketin g ain si qu e su r les étiqu ettes.
Quelques articles ont été publiés qui tentent d e fou rn ir d es exp lication s su r les d ifféren ts typ es d e TPO [1-4]. Un e ch ose est certain e tou tefois : con trairem en t au x m em bran es th erm op lastiqu es p lastifiées, les m em bran es en TPO n e con tien n en t p as d e p lastifian ts (p etites m olécu les ajou tées au m om en t d u com p ou n d age p ou r au gm en ter la sou p lesse d u produit). Le problème de la perte de plastifiant qu i su rvien t avec certain es m em bran es p lastifiées n e se p ose d on c p as.
Confusion sur le m a rc hé
Les membranes de couverture en TPO sont sur le m arch é eu rop éen d ep u is d ix an s en viron . La p rem ière ap p arition d ’u n m atériau d e cou -verture de ce type aux États-Unis date de 1987 m ais on en sait en core p eu su r sa d u rabilité.
La con fu sion qu i règn e au tou r d es TPO p rovien t d e leu r ap p ellation ch im iqu e et d e leu r com m ercialisation . Cette d ern ière a fait p rin cip alem en t ressortir les caractéristiqu es qu e les TPO p artagen t avec les EPDM, c’est-à-dire les caractéristiques du caoutchouc, avec les avan tages d e la th erm osou d u re (qu e les EPDM n ’on t p as). L’accen t fu t m is égalem en t su r la résistan ce ch im iqu e attribu ée au con stitu an t oléfin e d es p olym ères.
Malh eu reu sem en t, u n e certain e con fu sion s’est in stallée, n otammen t d ans l’u tilisation d u term e « thermop lastiqu e » (TP). Il est im p ortan t d e rap p eler qu e les TPO son t th erm op lastiqu es (TP) m ais qu e seu ls certain s TP son t d es TPO.
Ava nt a ge s de s T PO
En gén éral, les m em bran es en TPO son t com -m ercialisées co-m -m e u n p rod u it co-m bin an t les propriétés des EPDM et celles des PVC sans en avoir les inconvénients. En d’autres termes, ces m em bran es son t cen sées être au ssi résistan tes au x UV et à la ch aleu r qu e les EPDM, et th erm osou d ables, com m e les PVC.
Les caractéristiques et les avantages suivants d es TPO on t été sou lign és [1-3] :
• san s d an ger p ou r l’en viron n em en t et recyclables;
• th erm osou d age d es raccord s;
Encadré A
T he rm opla st ique s (T P) e t
T he rm odurc issa ble s (T S)
Un p olym ère est u n e m olécu le à lon gu e ch aîn e faite d e p lu sieu rs (p oly) p etites u n ités (m ère) récu rren tes (en tre 103 et
106) u n ies les u n es au x au tres bou t à bou t. Ces m olécu les son t
enchevêtrées au hasard, à la façon des spaghettis après cuisson. Les p olym ères p eu ven t être classifiés en th erm op lastiqu es (TP) ou th erm od u rcissables (TS), su ivan t leu r com p ortem en t mécanique à la chaleur et au refroidissement. Les TP contiennent des molécules à longue chaîne assemblées par liaisons secondaires (figu re a). A la ch aleu r, les m olécu les glissen t d e l’u n e à l’au tre et le p olym ère se ram ollit. Au refroid issem en t, les m olécu les n e p eu ven t p as glisser d e l’u n e à l’au tre facilem en t et le p olym ère d u rcit. En revan ch e, les m olécu les à lon gu e ch aîn e TS son t u n ies les u n es au x au tres p ar d e p etites m olécu les et d es liaisons chimiques solides, procédé appelé parfois vulcanisation (figu re b). Ce réseau en trois d im en sion s est si rigid e qu e les m olécu les n e p eu ven t p resqu e p as bou ger lorsqu e le p olym ère est ch au ffé. Ain si, les th erm od u rcissables n e ram ollissen t p as lorsqu’ils sont chauffés.
A cau se d e ces d ifféren ces, les m em bran es th erm op lastiqu es et les m em bran es th erm od u rcissables son t fixées d ifférem m en t lors de la pose. Les premières peuvent être soudées à chaud par th erm osou d u re : l’air ch au d fait fon d re le p olym ère et les d eu x ban d es d e m em bran e son t réu n ies p ar fu sion . Les secon d es son t gén éralem en t fixées p ar d es ad h ésifs ou d es ru ban s.
Configurations moléculaires schématiques : a) thermoplastique et b) thermodurcissable
3
• d isp on ibles en p lu sieu rs cou leu rs; • résistan ts à la ch aleu r, à la d égrad ation
p ar UV;
• résistants à beaucoup de produits chimiques; • bon n e sou p lesse à basse tem p ératu re; • p as d e p lastifian ts ajou tés.
Pe rform a nc e de s T PO
Les m em bran es en TPO son t p lu s légères et p lu s faciles à m an ip u ler qu e les au tres m em -bran es th erm op lastiqu es. Tou tefois, m êm e si elles son t sou p les, elles con serven t u n e cer-tain e rigid ité au tou ch er : elles on t ten d an ce à con server leu r form e et n e se d éten d en t p as facilem en t. Les en trep ren eu rs sem blen t s’y h abitu er d ou cem en t m ais certain s d isen t qu’elles ne sont pas d ’u tilisation très facile. Citon s qu elqu es-u n s d e leu rs com m en taires : • les sou d u res th erm iqu es son t p rop res et
faciles à exécu ter;
• ces m em bran es son t m oin s ch ères qu e les au tres m em bran es à sou d u re th erm iqu e; • les systèm es fixés m écan iqu em en t
(com p arés au x systèm es in d ép en d an ts ou totalem en t ad h éren ts) fon ction n en t très bien lors d u recou vrem en t san s ajou ter d e ch arge su p p lém en taire;
• les m em bran es n on ren forcées form an t solin son t faciles à ap p liqu er;
• d es ch an gem en ts d e cou leu r et d e textu re ap p araissen t avec le tem p s;
• les m em bran es réagissen t très fortem en t (allon gem en t et rétrécissem en t) au x variation s d e tem p ératu re;
• les tem p ératu res n e son t p arfois p as assez élevées p ou r effectu er d e bon s raccord s; les p osition s arrêt/ m arch e d e la m ach in e à sou d er robotisée son t p articu lièrem en t critiqu es, d e m êm e qu e les p osition s d es joints en té;
• l’in tervalle est étroit en tre u n e m au vaise sou d u re d u e à u n e basse tem p ératu re et u n e m au vaise sou d u re d u e à u n e tem p éra-tu re trop élevée;
• il se p rod u it u n e d égrad ation d e la fixation com m u n e d u su p p ort p ar collage (c’est-à-d ire m em bran e qu i se (c’est-à-d écolle d u su pp ort);
• il fau t p arfois utiliser un solvan t su r les m em bran es (p ou r n ettoyer ou ap p rêter) avan t d e sou d er;
• u n e fois qu e les m em bran es on t été exp osées au soleil, il est d ifficile d ’exécu ter u n e n ou velle sou d u re (p ou r rép aration , p ar exem p le); • les m em bran es n oires son t
p lu s d ifficiles à sou d er qu e les blan ch es.
Ré sult a t s a c t ue ls de
la re c he rc he
En 1997, l’IRC, en collaboration avec la société am éricain e d’experts-conseils en couvertures Ben ch m ark INC., a m is en oeu vre u n p rojet su r cin q an s p ou r étu d ier la p erform an ce à lon g term e d es m em bran es en TPO.
Ju squ ’à p résen t, on a con staté qu e les m em bran es ren forcées d ’u n can evas d e fibres de polyester continues offraient une résistance à la ru p tu re bien p lu s élevée (voir en cad ré B) qu e les m em bran es ren forcées d ’u n m at d e fibres d e verre cou rtes cou p ées au h asard . Dan s le can evas d e p olyester (faisceau x d e fibres con tin u es d isp osés en grille), les fibres supportaient la majorité de la contrainte jusqu’à ce qu ’il y ait ru p tu re, offran t ain si u n e résis-tan ce élevée. Dan s le m at d e fibres d e verre (fils d e fibre d e verre cou p és et assem blés au h asard en m at), les fils d e fibre su ivaien t le m ou vem en t et s’align aien t avec le p olym ère en d irection d e la con train te, offran t ain si u n e résistan ce m oin d re à la ru p tu re — c’est-à-d ire qu e les fils se d ép laçaien t avec la m em bran e p lu tôt qu e d e s’étirer p u is, éven tu ellem en t, casser, com m e d an s le cas d u p olyester.
La résistan ce à la ru p tu re d es m em bran es à can evas d e p olyester d ép en d d u n om bre d e câbles d e filam en ts (faisceau x) en largeu r. La résistan ce d es faisceau x d e fibres s’est avérée être la m êm e p ou r tou s les éch an til-lon s, qu el qu e soit l’en d u it. En con séqu en ce, p lu s la trame d u d isp ositif d e ren forcement est serrée, p lu s la résistan ce d e la m em bran e à la ru p tu re est élevée.
La d ifféren ce en tre les styles d e tram e a eu u n e in cid en ce su r le m od e d e ru p tu re d e la m em bran e. Un éch an tillon a été ren forcé avec u n e grille d e p olyester n on en d u ite d an s laqu elle les in tersection s d es faisceau x étaien t m ain ten u es en sem ble p ar d es fibres d e p olyester fin es et con tin u es. Lorsqu e la m em bran e a été tirée d an s le sen s m ach in e (p arallèle à la lon gu eu r d u rou leau d e la m em bran e), les fibres en brin s fin s se son t étirées et m ain ten u es ferm em en t su r les faisceau x en sen s travers (p erp en d icu laire au sen s m ach in e), p rovoqu an t ain si d e fortes
Encadré B
Essa i de t ra c t ion
Un e bon n e m em bran e d e cou vertu re d oit être assez résistante pour supporter les con train tes et assez sou p le p ou r s’ad ap ter au x m ou ve-m en ts d u su p p ort. Ces p ro-priétés sont représentées par la résistance et l’allongement à la ru p tu re qu i p eu ven t être m esu rés p ar u n e m ach in e exerçan t u n e traction con -stan te su r u n éch an tillon rectan gu laire. La m ach in e en registre la réaction sou s la form e d ’u n e cou rbe con -trainte-allongement (figure 2). La con train te m axim ale
su p p ortée p ar l’éch an tillon est ap p elée la résistan ce à la ru p tu re alors qu e l’allon gem en t corresp on d an t à la con train te m axim ale est ap p elé allon gem en t à la ruptu re.
Courbe type contrainte-allongement d’une membrane TPO renforcée de polyester à -40°C et à 23°C
con train tes localisées au x in tersection s. En revan ch e, lorsqu e la m em bran e a été étirée en sens travers, aucun point de contrainte localisée n e s’est créé car les fibres d e brin s fin s on t m ain ten u les faisceau x d an s le sen s m ach in e, les écrasan t et n on les étiran t.
La résistan ce à la ru p tu re d es m em bran es à can evas d e p olyester a au gm en té d e 20 à 30 % lorsque la température de l’essai a chuté à -40 °C. En revan ch e, la m em bran e est d even u e cas-san te et l’allon gem en t à la ru p tu re (m esu re d e la cap acité d e la m em bran e à s’ad ap ter au m ou vem en t d u su p p ort) a été d ivisé p ar p lu s d e 15. Étan t d on n é qu e c’est la sou p lesse d u p olym ère qu i régit celle d e la m em bran e, il est recom m an d é d ’u tiliser d es p olym ères d on t les propriétés mécaniques aux températures froides son t su p érieu res (exem p le : allon gem en t su p érieu r) p ou r les m em bran es qu i seron t u tilisées p ar tem p ératu res froid es.
La tem p ératu re d e tran sition vitreu se (Tg)
est u n bon critère p ou r ch oisir le p olym ère qu i con vien t (voir en cad ré C).
La flexibilité p ar tem p s froid a été con -trôlée en u tilisan t la tem p ératu re d e tran sition vitreu se. Les résu ltats on t d on n é u n e p lage d e tem p ératu res allan t d e -32 °C à -37 °C, p lage com p arable à celle d es au tres systèm es m on o-cou ch e (au tou r d e -35 °C). Il y eu t u n e seu le excep tion , u n e Tgd e -54 °C. Cet éch an tillon
fit égalem en t l’objet d e l’allon gem en t à la ru p tu re le p lu s élevé à -40 °C.
La th erm ogravim étrie (qu i con trôle le ch an gem en t d e p oid s d ’u n su jet ch au ffé, p ou r u n e certain e p lage d e tem p ératu res), m on tre clairem en t qu ’il existe au m oin s qu atre typ es d ifféren ts d e TPO basés su r les p ertes d e p oid s u n iqu em en t. Ce qu i p rou ve en core qu e le term e TPO est u n term e gén ériqu e,
en globan t d ifféren ts typ es d e p olym ères.
Ré sum é
Étan t d on n é qu ’il s’agit d ’u n e term in ologie d u d om ain e d e la ch im ie, qu e la com p osition ch im iqu e d u p olym ère n ’est p as sp écifiqu e et
qu e les fabrican ts son t axés su r la com m er-cialisation d u p rod u it, u n e con fu sion certain e règn e au tou r d es m em bran es d e cou vertu re en TPO.
Si le groupe d’étude de l’ASTM responsable d e la n orm e d es TPO in siste p ou r u tiliser le term e « oléfin e » d an s le n om officiel, il faudrait alors envisager d’utiliser l’appellation « p olyoléfin e sou p le ou th erm op lastiqu e », ce qu i serait con form e à la term in ologie u tilisée en Eu rop e (exem p le : p olyoléfin e sou p le, FPO). De p lu s, p ou r éviter tou te con fu sion , les fabrican ts d evraien t clairem en t in d iqu er si le p rod u it est à base d e p olyp rop ylèn e ou p olyéth ylèn e.
Re m e rc ie m e nt s
Les au teu rs d e cet article tien n en t à rem ercier les en trep ren eu rs, les p rop riétaires d es bâtim en ts qu i on t servi d e référen ce et le p er-son n el d e la société Ben ch m ark qu i a collecté ou fou rn i les d on n ées p ou r ce p rojet.
Ré fé re nc e s bibliogra phique s
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Mm e Ka re n Liuest ch erch eu se p ou r le m êm e p rogram m e.
M. Te rra nce R. S im m onsfait p artie d e T RS Con su ltin g, Iowa City, Iowa.
Encadré C
Te m pé ra t ure de t ra nsit ion vit re use (T
g)
Lorsqu ’u n p olym ère est ch au d , les segm en ts m olécu laires son t en p erp étu el m ou vem en t, p ar glissem en t ou p ar sau t, et le p olym ère est sou p le. C’est ce qu e l’on ap p elle l’état am orp h e. Lorsqu e le p olym ère est refroid i, les m ou vem en ts m olécu laires com m en cen t à d im in u er. Si le refroid issem en t se p rolon ge, le m ou vem en t m olécu laire s’arrête com p lètem en t à u n certain e tem p ératu re. Le p olym ère p erd sa sou p lesse et d evien t cassan t. Il s’agit d e l’état vitreu x. La tem p ératu re caractéristiqu e d u p assage d e l’état caou tch ou teu x à l’état vitreu x s’ap p elle la température de transition vitreuse (Tg). Cette dernière (Tg) est une
d es p rop riétés d u p olym ère et est u n con cep t im p ortan t d an s l’évalu ation d e la p erform an ce d es m em bran es d e cou vertu re à base d e p olym ères. L’ajou t d e p lastifian ts (p etites m olécu les d e p olym ère) au m om en t d u com p ou n d age p erm et d ’abaisser la tem p ératu re d e tran sition vitreu se en au gm en tan t la d istan ce entre les molécules de polymère, ramollissant ainsi le polymère.
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© 1999
Con seil n ation al d e rech erch es d u Can ad a Décem bre 1999
