Les polymeres I. Les matières premières








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titreLes polymeres I. Les matières premières
date de publication10.07.2017
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Julien Molina

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LES POLYMERES

I.Les matières premières




a) Historique :
A l’origine , la plupart des matières plastiques provenaient de résines dérivées de matières végétales, comme la cellulose (extraite du coton), le furfal (extrait de céréales ), les huiles (obtenues à partir de graines), les dérivés d’amidon ou le charbon. La caséine (issue du lait) était l’une des matières non végétales utilisées.
Aujourd’hui, la plupart des matières plastiques sont synthétisées à partir de produits pétrochimiques. La chimie organique permet de préparer tous les précurseurs des polymères à partir du pétrole, de façon abondante et bon marché.


b) Types de matières plastiques :
Il existe quatre classifications des matières plastiques définies selon : 




- leur procédé de polymérisation.

- leur comportement thermique.

- leur nature chimique.

- leur type d’usage.

Le comportement thermique 



On distingue les thermoplastiques des thermodurcissables.
Les thermoplastiques sont constitués de polymères linéaires ou ramifiés. Ils fondent de manière réversible par simple chauffage (100-200 °C). Cette propriété est utilisée pour leur mise en forme. On peut citer le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP), le polychlorure de vinyle (PVC) et le polystyrène (PS).
Les thermodurcissables subissent une cuisson (vulcanisation) après leur mise en forme pour les réticuler (création de ponts entre les chaînes). Cette opération les rend infusibles. Ce sont principalement les résines polyesters, phénoliques, polyuréthannes ou les résines à base de formaldéhyde.

Le procédé de polymérisation.



Les deux procédés de base de la polymérisation sont les réactions par :



  • condensation (Nylons, polyuréthannes et polyesters).




  • addition (polyéthylène (PE), le polypropylène (PP), le polychlorure de vinyle (PVC) et le polystyrène (PS)).


c) Adjuvants chimiques :
Des adjuvants chimiques sont souvent utilisés en faible quantité (quelques %) pour donner aux matières plastiques des caractéristiques souhaitées.

On peut citer :


  • les pigments et les colorants.

  • les stabilisants et les anti-oxydants (qui augmentent la résistance du polymère à la chaleur).

  • les ultra-violets.

  • les ignifugeants (qui permettent d’augmenter la résistance du matériau au feu).

  • les charges renforçantes (qui augmentent la résistance mécanique).

  • les charges inertes (qui diminuent le prix de revient).

  • les lubrifiants (qui augmentent la facilité de démoulage).

II. Comportement thermique.






Les propriétés mécaniques des polymères dépendent fortement de la température. A basse température, la plupart des polymères présentent un état vitreux : ils sont rigides.

Lorsque la température augmente, ils passent par un état de transition : pour une plage de températures spécifique du polymère, les chaînes macromoléculaires glissent les unes par rapport aux autres et le polymère se ramollit. Cette plage de température s’appelle transition vitreuse, notée Tg.

A une température plus élevée, le polymère passe par un plateau caoutchoutique : son comportement est visco-élastique. Certains polymères présentent un point de fusion supérieur à Tg.
Les polymères étant utilisés à température ambiante, on dit qu’ils sont élastomères si leur température de transition vitreuse est inférieure à la température ambiante (comportement caoutchoutique) ; ils sont plastomères (comportement rigide) dans l’autre cas.

III. De l'échelle macromoléculaire (a) à l'échelle moléculaire (c).

E
(a)
xemple du Plexiglas.





III.1. L’état amorphe

A l’état amorphe, une chaîne se replie / se déploie dans l’espace pour adopter une configuration de pelote dans laquelle on ne distingue aucun ordre à grande échelle.
Cette absence d’ordre donne au polymère une structure de liquide « figé » dont les principales caractéristiques sont les suivantes :
 pas de point de fusion Tf.

 existence d’un point de transition vitreuse Tg marquant le passage de l’état liquide/caoutchoutique à l’état vitreux.

 transparence dans le visible. Le PS « cristal » ou le PVC « cristal » sont transparents parce qu’ils ne sont pas du tout cristallins. 



III.2. L’état cristallin.

L’état cristallin est caractérisé par l’existence d’un ordre à grande distance. Les chaînes, ayant adopté une conformation régulière en zig-zag plan ou en hélice, s’empaquètent de façon ordonnée et compacte. On peut dès lors définir une maille cristalline qui se répète de manière périodique dans les trois directions de l’espace. Ce type de structure diffracte les rayons « x ». La position des pics de diffraction permet d’identifier la structure cristalline.
Les principales caractéristiques de l’état cristallin sont les suivantes :
 compacité supérieure à celle de la phase amorphe.

 existence d’un point de fusion Tf.

 indice de réfraction supérieur à celui de la phase amorphe.

 rigidité supérieure à celle de la phase amorphe.



L’INJECTION PLASTIQUE.


I.Conception des machines.



  • Le principe de plastification, avec un chauffage par conduction ou par vis mélangeuse.

  • Le dispositif d'injection, par piston ou par vis-piston.

  • Le fonctionnement de la fermeture du moule, mécanique, hydraulique ou les deux.


I.1. Plastification et injection.
Le dispositif remplit les deux fonctions de plastification et d'injection en un seul mécanisme.
Pour la plastification, la vis tourne et plastifie la matière comme dans une extrudeuse. Les granulés sont chauffés, fondus et homogénéisés pendant leur transport de la trémie vers la buse. Pour stocker la quantité de matière nécessaire à l'injection d'une pièce, le dispositif vis-piston peut reculer dans le fourreau de la machine et doser la quantité voulue de matière plastifiée devant la vis. La vis arrête de tourner et de reculer.
Pour injecter, un vérin hydraulique pousse la vis, celle-ci plaque le clapet sur son siège, la matière ne peut plus refluer vers l'arrière. L'ensemble injecte sous pression, dans le moule, la matière dosée. Pendant cette phase, l'hydraulique peut-être asservie pour harmoniser le remplissage du moule en fonction de la pièce et de la matière injectée. C'est le système le plus répandu.
I.2. Systèmes de fermeture.



Le dispositif de manœuvre des plateaux porte-moule doit assurer l'ouverture, la fermeture et le verrouillage du moule avec une force suffisante pour s'opposer à l'ouverture du moule pendant l'injection. Ces fonctions importantes peuvent être assurées de différentes manières.


  • Fermeture mécanique par genouillère:


L'avance rapide de la partie mobile est assurée par la
genouillère. Le verrouillage du moule est fourni par la mise en traction des colonnes de la machine, au moment où le moule est verrouillé.

La genouillère est actionnée par un vérin hydraulique. Ce système est très simple mais n'assure pas une force de fermeture constante et reste difficile à régler.


  • Fermeture hydromécanique avec genouillère:


Le déplacement rapide pour l'approche des parties du moule à quelques millimètres de la fermeture est assuré par une genouillère, mais le verrouillage est obtenu par un plusieurs vérins hydrauliques quand la genouillère est alignée.



  • Fermeture hydraulique à un vérin:


Un seul vérin à deux étages fournit l'avance rapide et le verrouillage du moule. C'est un dispositif lent.



  • Fermeture hydraulique multivérin:


Dans ce cas, les fonctions d'avance rapide et verrouillage dont dissociées et remplies par des vérins distincts, utilisés les uns après les autres.
(Les systèmes de verrouillage hydraulique permettent un réglage simple et fiable de la force de fermeture.)

II. Conception des moules.
Un moule thermoplastique peut-être défini par:


  • Le nombre d'empreintes: 1,2,4,8,16,32.

  • Son architecture : plaques, tiroirs, coquilles.

  • Le système d'alimentation: carotte perdue, canaux chauffants.

  • Le type d'alimentation des empreintes : pin-point, en masse, en nappe, sous-marine, en ligne, en plusieurs points, etc….

  • L'éjection des pièces.

  • La régulation de la température.

  • La durée de vie (choix des matériaux).



II.1. Nombre d'empreintes.
Ce nombre est fonction d'impératifs techniques: temps de cycle, précision et reproductibilité des empreintes, tolérance de fabrication de la série de pièces (le nombre d'empreintes est inversement proportionnel à la précision).
Les problèmes financiers dépendent de plusieurs critères: temps d'occupation des machines, nombre de démontages annuels ou hebdomadaires, production et stockage des pièces. Pour que toutes les pièces d'une même moulée soient identiques, il faut qu'elles se remplissent en parfait synchronisme, que le polymère subisse les mêmes pertes de charges, parcourt la même distance, change de direction le même nombre de fois. L'alimentation des empreintes deux par deux permet de résoudre le plus facilement ce problème.


II.2 Architecture.
La conception de la pièce et le choix de son type d'alimentation déterminent le choix de l'architecture du moule et les difficultés d'usinage et de moulage.
Moule deux plaques.
Ce moule est le plus simple. Il est à privilégier en terme de coût de fabrication et d'entretien.

Moule trois plaques.
Ce moule permet un décarottage automatique et un gain de temps.

Moule à tiroir.
Ce moule permet de sortir des pièces offrant des parties en contre-dépouille ou des trous. Le tiroir se retire à l'ouverture de la partie supérieure pour permettre l'éjection de la pièce.

Moule à canaux chauffants.
On supprime ainsi les carottes et on économise du temps de cycle et de la matière. Ces moules sont plus chers (du type 3 plaques), mais rentables par les gains de matière et de temps de cycle car la carotte n'a pas à se solidifier.

Moule à coquilles.
Ce moule permet de réaliser les contre-dépouilles extérieures. Toutefois, il faut soigner la fermeture du moule et surveiller la fermeture de la machine.

III. Remplissage des empreintes.

L'écoulement de la matière de la buse à l'empreinte est fonction:


  • de l'évolution de la viscosité du polymère,

  • du nombre et du type des alimentations.





L'alimentation de l'empreinte se fait par une série de canaux reliant la buse à la cavité moulante passant par la carotte, les canaux d'alimentation et enfin le(s) seuil(s). Les canaux permettent de répartir les flux de matière entre toutes les empreintes et d'équilibrer les remplissages afin d'assurer une homogénéité de production d'une empreinte à une autre.

Les seuils sont choisis en fonction des pièces et des cadences de production.


Un seuil en masse permet d'imposer la pression de maintien plus longtemps et donc de maîtriser les retraits. Il faut prévoir une opération de décarottage coûteuse.
Un seuil rétréci ou trou d'épingle (pin-point) permet un décarottage simple (voire automatique) mais le seuil fige vite et le maintien en pression est moins efficace. Une matière sensible aux auto-échauffements peut se dégrader au passage du seuil.
Un seuil sous-marin permet de masquer la trace du seuil sur une face (même face que les éjecteurs) ou sur un côté de la pièce et de réaliser ainsi une pièce d'aspect.
Une injection en nappe circulaire évite les lignes de soudure de flux.


IV. Conception des pièces injectées.

La conception d'une bonne pièce plastique doit passer par le respect de règles qui visent à donner à la pièce l'aspect et la résistance souhaités, à permettre une réalisation de moules les plus simples possibles, à minimiser les reprises (décarottage, usinage …), à assurer une production économique (maintenance allégée, récupération des déchets…).
IV.1. Epaisseurs de parois.
Il ne faut pas que les épaisseurs de parois varient beaucoup. Les retassures, bulles, criques apparaissent dans les parties massives non alimentées en matière fondue pendant le maintien en pression et le refroidissement (épaisseur constante sur toute la pièce). On montre que des variations d'épaisseur peuvent entraîner des lignes de soudure.
IV.2. Les nervures.
Les nervures peuvent conduire à des surépaisseurs qui entraînent des retassures esthétiquement inacceptables. On évitera de mettre des nervures en face à face pour éviter un retrait trop localisé et donc une déformation de pièces.
IV.3. Les dépouilles et contre-dépouilles.
Pour la plupart des applications, le retrait des plastiques impose que l'on prévoit des dépouilles sur les parties intérieures afin de faciliter le démoulage et l'éjection (de 1 à 3°). De la même manière, on évitera les parties de pièce en contre-dépouilles qui obligent à utiliser des tiroirs. Ces tiroirs sont chers à réaliser et à installer dans le moule.

IV.4. Les arrondis et congés de raccordement.
Il faut prévoir des arrondis dans les angles pour éviter les concentrations de contraintes et favoriser l'écoulement pendant le remplissage.

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