DECOUVERTE DES POLYMERES ET LEURS DEVELOPPEMENTS
Le premier plastique est issu de la cellulose et a été découvert en 1869 par les frères Hyatt. Le PVC (Chlorure de Polyvinyle) a été découvert par accident à au moins deux occasions au cours du XIXe siècle, d’abord en 1838 par Henri Victor Regnault et en 1872 par Eugen Baumann. Dans les deux cas, le polymère est apparu comme un solide blanc dans des bouteilles de Chlorure de Vinyle après qu’elles aient été exposées à la lumière solaire.
La bakélite plastique 100% synthétique a été obtenue par hasard en 1907 à partir du phénol et du formol, par le chimiste belge Léo Baekeland.
Le PA (Polyamide) a été synthétisé pour la première fois en 1941 par Wallace Carothers. Il a été très rapidement utilisé dans l’industrie textile, en particulier pour la fabrication des toiles de parachute. Ce matériau est connu dans le marché sous le nom de Nylon (l’acronyme de Now You Lose Old Nippon). Aujourd’hui il y a plusieurs types de polyamides, généralement désignés par des chiffres ex : PA 6, PA 11, PA 12. Une des principales différences entre ces types est la température de fusion et par conséquent la tenue thermique.
Le PTFE (Polytétra-Fluoréthylene), sous le nom commercial TEFLON a été découvert par Roy J. Plunkett en 1938 et qui fut introduit commercialement en 1949.
Le PC (PolyCarbonate) a été découvert en 1953 par trois chercheurs : Schnell, Bottenbruch et Krimm. Sa première mise sur le marché date de 1958.
Le Polyéthylène (PE) est un des polymères les plus simples et les moins chers. C’est un plastique inerte et le plus employé, il compose notamment de la moitié des emballages. Suivant la méthode de polymérisation, le PE peut être classé en plusieurs types :
Polyéthylène Basse Densité ou PEBD (LDPE en anglais pour Low Density Polyethylene) inventé en 1933 par E.W Fawcett et R.O Gibson.
Polyéthylène à Ultra Haut Poids Moléculaire ou PE-UHPM (UHMWPE en anglais pour Ultra Hight Molecular Weight Polyethylene). MDPE (Medium Density PE). Polyéthylène Linéaire à Basse Densité ou PE-BDL (LLDPE en anglais pour Linear Low Density Polyethylene).
Polyéthylène Haute Densité ou PEHD (HDPE en anglais pour High Density Polyethylene) synthétisé en 1953 par le chimiste allemand Karl Ziegler.
GENERALITES SUR LES POLYMERES
Un polymère est constitué de macromolécules, elles même sont constituées d’une chaînes de monomères.
On distingue les homopolymères constitués de répétition d’une unique structure moléculaire et les copolymères constitués d’une répétition de plusieurs structures différentes ; (la plupart des polymères sont élaborés à partir d’un ou deux types de monomères seulement).
Macromolécule : Une macromolécule est une molécule de très grande masse moléculaire, résultant de la polymérisation. Les liaisons dans les macromolécules (liaisons intramoléculaires) et celles entre les macromolécules (liaisons intermoléculaires) peuvent être de type physique ou chimique. Les liaisons physiques sont trop faibles par rapport aux liaisons chimiques (les forces de cohésions chimiques sont jusqu’à 3 fois plus résistances que les forces de cohésions physiques).
Types des polymères: Les polymères sont divisés en trois parties, suivant des différences de structures macromoléculaires aboutissant à des différences importantes dans les propriétés thermomécaniques : Thermodurcissables : Les molécules de ces polymères se composent de longues chaînes, reliées par de nombreuses liaisons chimiques fortes et des forces de cohésions physiques . A température ambiante le matériau est dur ; les liaisons chimiques sont si solides qu’elles ne peuvent pas être rompus quand le matériau est chauffé, contrairement aux liaisons physiques qui sont sensibles à la chaleur.
Il y a environ six familles de produits : Phénoplastes, Aminoplastes, Epoxydes, Polyesters insaturés, Polyimides et polyuréthanes. Ils sont appelés ainsi, car une fois leurs formes acquises, elles ne peuvent être modifiés. Parmi les thermodurcissables, on peut citer : résines phénoliques (PF), résines de polyester (UP), résines époxydes (EP) et résines de polyuréthane (PUR). Elastomères : Les élastomères sont des matières réticulées d’une manière incomplète. Le degré de réticulation est faible à la différence des thermodurcissables. Les pontages permettent aux macromolécules de revenir en place plus ou moins rapidement après une déformation sous contraintes, c’est la propriété fondamentale des élastomères. Thermoplastiques : Comme son nom l’indique le matériau devient plastique par chauffage, le polymère est constitué de macromolécules linéaires ou ramifiés, la liaison entre elles est de type physique.
Domaines d’état
Le domaine d’état exprime la variation de comportement du matériau en fonction du changement de température. Pour un matériau polymère on distingue trois domaines d’états : état vitreux, état caoutchoutique et état fondu.
Entre les états vitreux et caoutchoutique il existe une zone appelée zone de transition vitreuse. Ce phénomène est définit seulement pour les polymères amorphes et les phases amorphes de thermoplastiques semi-cristallins.
La température de transition vitreuse Tg trouvant dans cette zone a une grande importance, car elle caractérise le passage du polymère d’un état dur et fragile à un état mou et souple lors d’une élévation de température. Elle dépend de : La rigidité de la chaîne polymère (une chaîne rigide aura une Tg haute, et une chaîne souple aura une Tg basse).
La taille des groupes latéraux (des groupes latéraux grands vont être des obstacles au glissement des chaînes et donc donner un polymère de haute Tg). La force des interactions intermoléculaires (des interactions fortes donnant une haute Tg).
Polymères homogènes et hétérogènes
Un polymère est dit homogène si ces propriétés sont identiques en tout point de matériau ; ça ne veut pas dire qu’il est constitué d’un seul état physique (vitreux, caoutchoutique, fondu) ou d’une seul phase (amorphe ou cristalline) ; dans le dernier cas on parle d’un polymère homogène biphasique.
Un polymère hétérogène est constitué d’au minimum deux composés organiques de nature chimique différente, ces propriétés sont déterminées à partir de celles de leurs constituants. Les mélanges de polymères représentent le groupe le plus important des matériaux polymères hétérogènes ; ils donnent naissance à des matériaux polymères à plusieurs composants dont les propriétés peuvent être macroscopiquement différenciées.
Polymérisation de polymère
Le pétrole brut est la principale matière première pour la production du plastique, lui même résidu d’un monde animal et végétal abondant dans un passé lointain. C’est un mélange complexe de milliers de composés, il faut le transformer pour pouvoir l’utiliser. Environ 4% de la production mondiale de pétrole brut sont transformés en plastiques. Actuellement l’élaboration est faite par la manière suivante :
Le raffinage et le vapocraquage : Les constituants d’un pétrole brut ont des masses molaires différentes et donc des points d’ébullition différents, il est possible de les séparer grâce au procédé de la distillation fractionnée. Les fractions contiennent un mélange de composés dont les températures d’ébullition sont voisines. La fraction d’essences légères appelée naphte ou naphta est isolée pour être ensuite « craquée » (distillée) à la vapeur. Cette opération permet d’obtenir les molécules chimiques indispensables à la fabrication des polymères : les monomères (éthylène, propylène, butadiène….).
Les réactions de polymérisation : le terme ‘polymérisation’ désigne l’ensemble des procédés de formation de chaînes à partir de molécules plus petites (monomères) ; chaque monomère est isolé, il est ensuite combiné avec d’autres monomères de même nature ou de nature différente lors d’une réaction chimique appelée réaction de polymérisation. Il existe deux types de réaction de polymérisation : La polyaddition (polymérisation en chaîne) : Les monomères se soudent les uns aux autres de façon consécutive (un à un) sans élimination de résidus, c’est le procédé le plus utilisé dans l’industrie ; le polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène, l’alcool polyvinylique et le Téflon sont des exemples de polymères obtenus par polymérisation en chaîne ; elle comporte les étapes suivantes :
L’amorçage : formation des centres actifs à partir du monomère. La propagation : croissance des chaînes de polymère par additions successives. La terminaison : destruction du centre actif et interruption de la croissance des chaînes.
La polycondensation : Les fonctions chimiques des monomères interagissent entre elles, toutes en même temps et s’assemblent en dégageant de petites molécules. Le polymère obtenu est aussi appelé polycondensat ; les polyamides, les polyesters et certains polyuréthanes sont des exemples typiques de polymères obtenus par condensation.
les adjuvants : De nombreux additifs entrent dans la composition finale des matières plastiques pour améliorer ou adapter plus finement leurs propriétés à leur utilisation. Ces adjuvants sont de plusieurs types avec des rôles spécifiques, fonctions de la quantité incorporée.
mises en forme : Une fois synthétisés, les polymères se présentent sous forme de poudres ou granulées, prêtes à être transformés en demi-produits ou en produits finis. Il existe également de nombreux procédés de transformation adaptés à la nature du polymère à mettre en oeuvre et à la forme finale souhaitée : Injection : ce procédé permet de donner aux matières plastiques une fois ramollies la forme – simple ou complexe – du moule dans lequel elles ont été injectées ; exemples : palettes, coques de télévisions, boites, pots, tableaux de bord, …
Extrusion : cette méthode permet de fabriquer des produits en continu ; exemples : profilés, tubes, films, feuilles, sacs, plaques,….
Extrusion-soufflage : les matières plastiques extrudées cette fois en discontinu (préformes) sont ensuite soufflées dans un moule pour en prendre la forme ; exemples : bouteilles, flacons, bidons, réservoirs, conteneurs,….
Rotomoulage : La matière plastique en poudre est introduite dans un moule clos puis est centrifugée sur les parois chaudes. On obtient par cette méthode des corps creux de gros volume ; exemples : cuves, réservoirs, conteneurs, … Expansion : le moussage ou expansion des polystyrènes et des polyuréthannes permet de fabriquer des produits alvéolaires ; exemples : calage, sièges automobiles, ameublement, cassettes, …
Compression : cette méthode sert à mettre en forme les polymères thermodurcissables ; exemples: pièces plates (vaisselle, accessoires électriques,…).
Calandrage : ce procédé permet d’obtenir des produits plats de grande largeur par laminage de la matière plastique entre plusieurs séries de rouleaux ; exemples : feuilles, plaques, films, sols plastiques.
Enduction : couplée au calandrage, cette méthode permet de déposer une résine plastique sur un support continu (papier, carton, tissu) en décoration ou en protection ; exemples : revêtement de sols, de murs, mobilier, …
Thermoformage : après avoir été ramollis sous la chaleur, les demi-produits thermoplastiques (plaques ou feuilles) sont emboutis sur une forme ; exemples : gobelets, pots de yaourts, cuves,…
Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1 INTRODUCTION
I.2 DECOUVERTE DES POLYMERES ET LEURS EVELOPPEMENTS
I.3 GENERALITES SUR LES POLYMERES
I.3.1. Macromolécule
I.3.1.a) Liaisons chimiques
I.3.1.b) Liaisons physiques
I.3.2.Types de polymères
I.3.2.a) Thermodurcissables
I.3.2.b) Elastomères
I.3.2.c) Thermoplastiques
I.3.3. Domaines d’état
I.3.3.a) Etat vitreux
I.3.3.b) Etat caoutchoutique
I.3.3.c) Etat fondu
I.3.4 Polymères homogènes et hétérogènes
I.3.5.Propriétés et utilisation
I.3.5.a) Le recyclage
I.3.5.b) La conduction
I.3.5.c) Utilisations
I.3.6 Polymérisation de polymère
I.3.6.a). Le raffinage et le vapocraquage
I.3.6.b) Les réactions de polymérisation
I.3.6.c).Les adjuvants
I.3.6.d). Mises en forme
I.4 POLYETHYLENE A HAUTE DENSITE
I.4.1. Histoire et développement
I.4.2. Description générale
I.4.3.Propriétés
I.4.4. Utilisation
I.4.5. Production
CHAPITRE II : EFFET DE LA TEMPERATURE ET DE LA VITESSE DE DEFORMATION SUR LE PEHD
II.1 INTRODUCTION
II.2.DIFFERNTS ESSAIS MECANIQUES
II.3. ESSAI DE TRACTION
II.4.LA TRACTION D’UN POLYMERE SEMI-CRISTALLIN
I.5. EXEMPLE DE TRACTION D’UN POLYMERE SEMI CRISTALLIN
II.6 INFLUENCE DE LA VITESSE DE DEFORMATION ET LA TEMPERATURE SUR LE PEHD
II.7 INFLUENCE DE LA TEMPERATURE SUR LA CONTRAITE À LA LIMITE ELASTIQUE ET LE MODULE D’YOUNG
CHAPITRE III : ETUDE EXPERIMENTALE
III.1 INTRODUCTION
III.2 DESCRIPTION DES MACHINES DES ESESSAIS
III.2.1. Logiciel de pilotage
III.2.2. Etapes des essais
III.2.3. Résultats des essais
III.3 ESSAI EXPERIMENTAUX
III.3.1 Essais à plusieurs températures
III.3.2 Essais à plusieurs vitesses de déformation
III.4 RESULTATS DES EXPERIENCES
III.4.1 Résultats sous l’influence de la température
III.4.2 Résultats sous l’influence de la vitesse de déformation
CHAPITRE IV : DEPOUILLEMENT ET ANALYSES DES RESULTATS EXPERIMENTAUX
IV.1. INTRODUCTION
IV.2. DEPOUILLEMENT DES RESULTATS OBTENUS
IV.3. ANALYSE DES COURBES
IV.4. VARIATIONS DES PARAMETRES MECANIQUES
CHAPITRE V : INTERPRETATION
V.1. INTRODUCTION
V.2. EXPLICATION DE L’EFFET DE LA TEMPERATURE ET DE LA VITESSE DE DEFORMATION SUR LE COMPORTEMENT MECANIQUE DU PEHD
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
REFERENCES
