Sommaire

• 0 Explications générales

• 1 Historique.

• 2 Chimie

• 3 Origine des matières plastiques

• 4 Composition générale

• 5 Familles de matières plastiques.

• 5.1 Thermoplastiques

• 5.2 Thermodurcissables

• 5.3 Les élastomères

• 6 Techniques de transformation

• 7. Tableau comparatif

• 8. Marquage

• 9. Résistance à la traction des matériaux

• 10. Masse spécifique

• 11 Resistance aux chocs

Explications

Extrait d'un article de http://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/Chimisterie/2002-2003/KPoulin.htmlTechniquement parlant…

Le plastique est une matière organique, macromoléculaire et synthétique. Relaxez-vous les neurones deux secondes et continuez à lire; la vulgarisation s’en vient.
Primo, on dit du plastique qu’il est organique, tout comme le bois ou le pain, sans oublier le corps humain. Qui dit organique dit carbone. En effet, le plastique est constitué d’atomes de carbone associés avec d’autres tels le fluor, l’oxygène, l’hydrogène, le chlore, etc. Vous voulez savoir si un objet contient du carbone ? Foutez-y le feu ! Si l’objet noircit, il s’agit du carbone qui réagit.
Secundo, comme tous les polymères, le plastique est composé de macromolécules, c’est-à-dire des molécules contenant des milliers d’atomes liés ensemble par des liens chimiques. J’entrerai dans les détails tout à l’heure.
Et tertio, cette matière est synthétique, car elle est le résultat d’une réaction de synthèse effectuée en laboratoire. Spécifions que les matières plastiques proprement dites n’existent pas dans la nature.

Les bons ingrédients
Dans les débuts de la plasturgie, on utilisait des polymères naturels et on les modifiait, ce qui nous donnait des plastiques artificiels. Un exemple serait la Galalithe, une corne artificielle obtenue en extrayant du lait la caséine (une protéine) et en y ajoutant un agent coagulant.
Mais, afin de fabriquer des plastiques synthétiques, nous devons nous tourner vers d’autres matières premières. La source la plus importante demeure le pétrole et le gaz naturel. Près de 90% des plastiques sont faits à partir de ceux-ci, ce qui est considérable.
Mais comment part-on du pétrole pour se rendre aux plastiques ?
Il faut d’abord distiller le pétrole jusqu’à l’obtention d’essences (ou naphta). Ces essences, également utilisées comme combustibles dans les automobiles, devront être soumises à un processus de craquage qui en extraira des hydrocarbures légers comme l’éthylène et le propylène qui, après polymérisation, deviendront le polyéthylène et le polypropylène.

 Notons que la plasturgie ne représente qu’un maigre 4% de toute l’industrie pétrochimique.

Polymères vs Plastiques
Ces deux termes sont souvent confondus, mais il y a bien une distinction à faire. Le terme polymère englobe toutes les substances formées de macromolécules; les plastiques représentent ainsi une fraction des polymères. De cette manière, tous les plastiques sont des polymères, mais tous les polymères ne sont pas des plastiques. Retenez aussi que les polymères peuvent aussi bien être synthétiques que naturels.
La notion de plastiques ayant été définie, attardons nous maintenant à l’aspect polymère de cette matière.
Tout d’abord, le mot « polymère » est l’union du préfixe « poly », plusieurs et du suffixe « mère », parties. Les molécules des polymères, qui sont immensément longues, sont formées par l’agencement de centaines, voire milliers de molécules de base appelées monomères. Par certains procédés, on unit les monomères en de longues chaînes moléculaires que l’on appelle macromolécules, terme que l’on doit en passant au chimiste Herman Standiger. Une molécule est une macromolécule si elle possède plus de mille atomes.
« Des molécules longues comme ça ! »
Fabriquer une macromolécule à partir de monomères est un processus appelé polymérisation. Il existe plusieurs procédés pour arriver à cette fin. Les voici, décrits pour vous.
Polymérisation en chaîne
Ce procédé n’est valable que pour les monomères à doubles liaisons chimiques. Il consiste à ouvrir ce même lien double à l’aide d’une certaine substance. En ouvrant ce lieu double, on permettra à ce monomère de se lier à d’autres afin de former le polymère.
C’est le mode le plus utilisé dans l’industrie et on s’en sert notamment dans la fabrication du polyéthylène, du polypropylène et du polystyrène.
Polycondensation
La polycondensation implique qu’il s’est produit un dégagement gazeux lors de la liaison des molécules. Ce dégagement provient de l’élimination d’atomes ou de groupes d’atomes. Ce procédé nous permet d’obtenir un type spécifique de polymère dit semi-crystallin qui donne éventuellement lieu aux élastomères (catégorie de matière plastique observable dans les éponges par exemple).
Une macromolécule a une épaisseur variant de 2 à 5 dix-millionièmes de millimètre et sa longueur, d’un millionième de millimètre à … 1 millimètre ! Voyez l’immensité que ces molécules peuvent atteindre, quand on sait que le diamètre de l'atome est de l'ordre du millionième de millimètre.
Une fois dans le plastique, les macromolécules adopteront plusieurs configurations qui témoigneront de la sorte de plastique et lui conféreront ses propriétés.
Cette configuration peut être linéaire, ramifiée ou tridimensionnelle. Les tridimensionnelles se partagent en deux sous-groupes: le réseau à mailles serrées et le réseau à mailles larges (ce dernier type engendre les élastomères). Retenez ces configurations, car nous y reviendrons afin d’expliquer les propriétés qui en découlent.
En plus de la configuration, nombre de propriétés découlent de la disposition des macromolécules. En fait, si celles-ci sont enchevêtrées de manière irrégulière comme les fibres du feutre par comparaison, on dira de la matière plastique qu’elle est amorphe. Les plastiques amorphes ont tendances à casser plus facilement. Quand les molécules sont bien regroupées à la manière du bois de chauffage cordé, le plastique aura un aspect plutôt laiteux, il sera opaque et il aura une bonne résistance à la chaleur.
Ce qu’il est bon de savoir sur un plastique
L’élément déterminant de la notoriété depuis longtemps établie des matières plastiques, c’est la large gamme de propriétés physiques et chimiques qu’elles ont et desquelles nous pouvons tirer profit. Ces propriétés changent d’un plastique à un autre et sont déterminées par la structure chimique, la forme des macromolécules, leur taille et leur disposition. Ce sont là des termes que nous avons déjà abordés.
Ainsi, la nature des atomes et la manière qu’ils sont agencés dans la longue chaîne moléculaire sont responsables de la faible masse volumique des plastiques en général. De plus, ces deux facteurs expliquent la résistance des plastiques aux acides, bases et solvants. Les propriétés mécaniques, quant à elles, dépendent de la forme, la taille et la disposition des macromolécules.
Je vous présente maintenant les principaux tests nous permettant d’identifier des plastiques et de les classifier.
Transparence : jetez un coup d’œil furtif autour de vous et vous remarquerez que tous les plastiques ne laissent pas passer la lumière de la même manière. Ils peuvent être transparents, translucides ou complètement opaques, tout dépendant de leur structure ou des conditions de leur transformation.
Comportement à la chaleur: ce test est très important, car il nous permet de diviser les plastiques en deux grandes familles: les thermoplastiques et les thermodurcissables. C’est la nature du monomère et la manière dont il est agencé aux autres qui détermine si le plastique appartient à l’une ou l’autre des catégories.

+Les thermoplastiques: un thermoplastique qui est chauffé ramollira et deviendra mou, pâteux et il durcira lorsqu’on cessera de le chauffer. En d’autres mots, cela signifie qu’une fois moulé et dur, le plastique pourra être fondu et moulé à nouveau autrement. Ces plastiques sont les plus présents dans l’industrie avec 80% du marché plasturgique. (Exemples : PVC, polypropylène, polyéthylène, polystyrène)

+Les thermodurcissables : ces plastiques, dont les macromolécules sont tridimensionnelles, durcissent à la chaleur et ils se décomposent complètement, sans devenir semi-liquides, lorsque le réchauffement est prolongé. En effet, leurs chaînes sont dotées de liaisons croisées entre elles et cela assure au plastique, une structure stable. (Exemples : polyesters insaturés, polyuréthannes, silicone, polyépoxydes)

Combustibilité : décidément, il y a beaucoup à apprendre d’un plastique en le brûlant ! L’aspect de la flamme et l’odeur résultant de la combustion sont de bons indices dans l’identification des matières plastiques. De plus, si la combustion se fait aisément, cela prouvera la présence de carbone et d’hydrogène. Les industries plasturgiques ajoutent généralement un halogène, tel le chlore, au plastique afin de le rendre plus résistant à la flamme.

Déformation : ce test consiste à savoir quelle sorte de déformation peut subir une pièce de plastique. La déformation sera fragile si le plastique se casse lorsqu’il est plié. Si celui-ci blanchit à l’endroit de la pliure (cette partie décolorée se nomme rupture blanche), la déformation sera dite ductile. Finalement, si tout pliage ou changement de forme n’abîme d’aucune façon la pièce, on parlera à ce moment de déformation caoutchoutique.

Du granule au plat Tupperware
Dès que la matière plastique devient matière première, elle se présente le plus souvent sous forme de granules. Avant de devenir des produits utilisables, ces granules devront suivre un parcours de transformation qui permettra de leur inculquer une forme précise. J’explique ici quelques-uns des nombreux cheminements possibles menant à la matière plastique.

Extrusion : on envoie les granules de plastique dans un cylindre chauffé à l’intérieur duquel tourne une vis sans fin. Cette vis pousse les granules vers la filière en les comprimant, les ramollissant et en les rendant homogènes. La filière conférera à la masse plastique la forme désirée. L’extrusion est surtout utile dans la confection de tuyaux, feuilles ou plaques.

Injection : par le même principe, la vis sans fin pousse la masse à former jusqu’à l’intérieur d’un moule. Cette technique est surtout utilisée pour les thermoplastiques. On opte beaucoup pour ce procédé simplement parce qu’il offre une bonne qualité sans nécessité de finition et ce, même pour des formes plus complexes. A peu près tous les contenants de cuisine sont passés par cette étape.

Extrusion-soufflage : une pièce de plastique chaude et vide descend entre deux moitiés de moule qui se refermeront sur cette pièce. Un jet d’air soufflera la pièce vide en un ballon qui prendra la forme du moule refroidissant. Cette méthode est particulièrement utile dans la fabrication de bouteilles ou autres contenants vides.

 

Marquage

Resistance à la traction des matériaux

La Figure  représente le comportement contrainte -déformation de quatre catégories types de matériaux polymères.  Courbes traction-allongement de 4 types de matériaux polymères. La courbe d'un matériau dur et fragile tel qu'un polymère amorphe à une température bien inférieure à Tv présente habituellement une pente initiale qui indique un module d'élasticité très élevé, une résistance modérée, un faible allongement à la rupture et une aire minime en-dessous de la courbe contrainte - allongement (Fig. 2). Les valeurs caractéristiques du module d'élasticité et de la résistance à la traction sont 500,000 et 10,000 lb/po² respectivement, tandis que l'allongement typique est de 2%. En général, la déformation de ces matériaux est élastique jusqu'à la rupture, qui est une cassure fragile. Le polystyrène, le poly (méthacrylate de méthyle) et de nombreuses résines phénol-formol sont des exemples de matériaux polymères durs et fragiles à la température ambiante ou au-dessous. Le module d'élasticité et la résistance des polymères durs et résistants sont élevés. Leur allongement à la rupture est de 5%. La forme de la courbe permet souvent d'affirmer que la rupture du matériau s'est produite à un endroit où on pouvait s'attendre à une limite d'écoulement plastique. Ce type de courbe caractérise certains composés rigides de poly(chlorure de vinyle) et des mélanges de polystyrènes. Certains polymères, comme l'acétate de cellulose, le nitrate de cellulose et les nylons, ont un comportement dur et tenace. Leur contrainte à la limite élastique, module d'élasticité, résistance et leur allongement sont élevés. Sous l'effet d'un étirage, la plupart des polymères de ce groupe subissent un écoulement à froid qui produit une striction dans l'éprouvette. L'étirage à froid améliore la résistance et constitue donc un procédé très important de la technologie des fibres synthétiques. Les polymères mous et tenaces ont un faible module d'élasticité, des contraintes à la limite élastique peu élevées, une résistance à la rupture modérée et un allongement pouvant aller de 20 à 1000%. Les courbes contrainte - déformation de ce type caractérisent le PVC plastifié et les caoutchoucs (élastomères). Le tableau I résume le comportement (contrainte - déformation) de différents groupes de polymères.

Tableau I  Caractéristiques du comportement (Contrainte - Déformation) des matériaux polymères Caractéristiques des matériaux polymères Type de matériaux polymères Dur et fragile Dur et résistant Dur et tenace Mou et tenace PS, PMMA, Phénoliques PVC rigide, Mélanges de PS PE, PTFE PVC plastifié, Caoutchoucs Module d'élasticité Élevé Élevé Élevé Faible Contrainte à la limite élastique Nulle Élevée Élevée Faible Résistance à la rupture Mod. Élevée Élevée Mod. Allongement à la rupture Faible Mod. Élevé Élevé PS = polystyrène PMMA = poly(méthacrylate de méthyle) PVC = poly(chlorure de vinyle) PE = polyéthylène PTFE = polytétrafluoréthylène

Resistance aux chocs

La résistance au choc donne une mesure de la ténacité ou de la capacité du matériau de résister à la rupture sous l'effet d'un impact à grande vitesse. Dans des conditions normales d'utilisation, les polymères peuvent être soit fragiles soit tenaces. Par exemple, le polystyrène, le poly (méthacrylate de méthyle) ainsi que le PVC non modifié et non plastifié sont habituellement fragiles; ils se cassent brusquement. Les PVC plastifiés sont considérés comme des matériaux tenaces. Selon la température d'utilisation et l'intensité du choc (c'est-à-dire le taux de déformation), un matériau polymère aura un comportement fragile ou tenace. La résistance au choc des polymères et des plastiques correspondants dépend de l'écart entre leur température de transition vitreuse (Tv) et la température d'utilisation ainsi que de leur taux de cristallinité. Bien au-dessous du Tv, les polymères amorphes sont cassants, mais ils deviennent plus tenaces lorsque la température s'approche du Tv. Au-dessus du Tv, les polymères amorphes deviennent caoutchouteux, et on ne peut plus parler de choc.

Masse spécifique La masse spécifique de la plupart des plastiques est bien plus faible que celle des métaux, ce qui est très utile lorsqu'on veut obtenir une diminution de poids car certains plastiques sont, à poids égal, plus résistants que les métaux. Cependant, à volume égal, c'est habituellement le contraire qui se produit. La masse spécifique des polymères et des plastiques se situe normalement entre 0.83 et 2.50 g/cm³. Pour les plastiques alvéolaires elle peut descendre jusqu'à 0.01 g/cm³ et pour les plastiques contenant des charges, elle peut atteindre 3.50 g/cm³.