cours4et5.ppt -Les grandes familles de polymères et leurs applications -La mise en œuvre des plastiques -Le recyclage

1. III. Les grandes familles de polymères
et leurs applications

2. Polyéthylène, Polypropylène, Polychlorure de vinyle, Polystyrène,
Polybutadiène, Polyacrylonitrile.
III. Les grandes familles de polymères
et leurs applications
On peut commencer par les polymères obtenus par les techniques radicalaire,
cationique, anionique ou catalytique.
Polyamide, Polyester, Polycarbonate, Epoxyde,
Polyuréthane, Silicone
On verra ensuite les polymères obtenus par les techniques spécifiques de
polycondensation

3. III. Les grandes familles de polymères
et leurs applications
Le Polyéthylène (PE)
Morphologie: très amorphe (LDPE), très cristallin (HDPE, UHMWPE)
Température de fusion (cristallin) : 137 oC
Température de transition vitreuse (amorphe) : -30 oC
HDPE (High Density Polyethylene)
LDPE (Low Density Polyethylene)
Le PE peut être obtenu par la méthode
traditionnelle de polymérisation vinylique,
qui donne du LDPE.
Pour le HDPE (200000 à 500000 unités),
on utilisera la méthode de Ziegler-Natta.
Pour le UHMWPE (Ultra Hight Molecular
Weight PE, 6 million d’unités), on utilisera la
polymérisation par métallocène.
Le UHMWPE permet
de fabriquer les gilets
pare-balles (ou des sièges
de bus indestructibles)
Les LDPE et HDPE sont utilisés pour les
sacs plastiques

4. Le Polypropylène (PP)
Morphologie: très cristallin (isotactique), très amorphe (atactique)
Température de fusion: 174 oC (pour le 100% isotactique)
Température de transition vitreuse: -17 oC
Le mélange des 2 formes donne un polypropylène élastomère
Chaîne souple
Point de cristallisation
III. Les grandes familles de polymères
et leurs applications
Exemple d’utilisation :

5. Le polychlorure de vinyle
(PVC)
Morphologie: amorphe, taux de cristallinité ~10%
Température de transition vitreuse: ~84 oC
III. Les grandes familles de polymères
et leurs applications
Pour modifier les propriétés du PVC, on va lui
ajouter des additifs :
-un plastifiant (ex : nitrobenzène)
- une charge pour le rendre + dur (ex : sciure de bois,
poudre de carbone)

6. Le polystyrène
Polymérisation: polymérisation radicalaire en chaîne (atactique),
polymérisation Ziegler-Natta (syndiotactique)
Morphologie: très amorphe (atactique), très cristallin (syndiotactique)
Température de fusion: 270 oC (syndiotactique)
Température de transition vitreuse: 100 oC
III. Les grandes familles de polymères
et leurs applications
Applications :
Ou aussi des isolants (PS expansé)

7. Le polystyrène choc
C ’est un mélange de polystyrène et de
polybutadiène (une copolymérisation).
La phase polybutadiène (très souple) va
jouer le rôle d ’absorbeur d ’énergie en
cas de choc
Matériau très résistant au choc
III. Les grandes familles de polymères
et leurs applications
Les 2 polymères ne se mélangent pas

8. III. Les grandes familles de polymères
et leurs applications
Le polystyrène choc (suite)
On distingue bien
les 2 phases
et l’inversion de phases

9. III. Les grandes familles de polymères
et leurs applications
Le polystyrène à bloc
(SBS)
Les blocs de polystyrène s'agglomèrent et les blocs
de polybutadiène aussi (entre eux). Les
agglomérats formés par les blocs de polystyrène
maintiennent les chaînes de polybutadiène.
Chaque bloc de polybutadiène a un bloc de polystyrène attaché à chacune de ses extrémités, et
les différents blocs de polystyrène d'une même chaîne n'appartiennent pas nécessairement au
même agglomérat.
On a une forme de réticulation non covalente
Le SBS est utilisé pour remplacer
le caoutchouc naturel lorsqu’on
veut une forte résistance
mécanique
Applications :

10. III. Les grandes familles de polymères
et leurs applications
Le polystyrène à bloc
(SBS) (suite)
Selon les qtés. respectives, on arrive à obtenir
une cristallisation

11. C’est un Élastomère
C’est le caoutchouc naturel
Le matériau est mou, voire collant quand
on le chauffe, et devient fragile à froid.
D ’où l ’idée d ’attacher ensemble les chaînes
de polymère, pour donner une
macromolécule réticulée
Suivant le nombre de réticulations, le polymère
obtenu sera + ou - souple.
Vulcanisation
(GoodYear, 1839)
III. Les grandes familles de polymères
et leurs applications
Polyisoprène (polybutadiène)

12. Le polyacrylonitrile (PAN) III. Les grandes familles de polymères
et leurs applications
Applications :
Morphologie: très cristallin
Température de fusion: 319 oC
Température de transition vitreuse: 87 oC
Ce qui donne la
cohésion des
chaînes :
interactions
dipôle-dipôle
(entre groupes
nitriles)
Voyez-vous ce que l’on fait lors du repassage
d’un vêtement acrylique ?

13. La résine ABS
C ’est un copolymère d ’
Acrylonitrile, Butadiène et
Styrène
L ’ABS est plus résistant que le polystyrène, à
cause des interactions entre groupes nitriles.
Les chaînes sont donc maintenues par
interactions inter-chaînes
D ’autre part, le polybutadiène donne une
certaine flexibilité à l ’ensemble
III. Les grandes familles de polymères
et leurs applications
Applications :

14. III. Les grandes familles de polymères
et leurs applications
(par ex. : Nylon ®)
Morphologie : cristalline
Tf : 280oC
Tg : ~ 50oC
Le polyamide (PA)
Fibres de Nylon :
(liaisons H)
Forte cohésion entre chaînes
Applications :

15. III. Les grandes familles de polymères
et leurs applications
Le polyester (PET)
Morphologie: amorphe ou cristallin
Température de fusion : 265oC
Température de transition vitreuse : 74oC
Pour que ces bouteilles résistent mieux à la chaleur,
(pour les stériliser), le PET est mélangé à du PEN : Tg
(polyethylene naphthalate)
Question : pourquoi la Tg du PEN
est-elle + élevée que celle du PET
?
Applications :
Mais aussi : textiles en « polaire »
naphthalate

16. III. Les grandes familles de polymères
et leurs applications
Silicone
Les silicones sont des polymères inorganiques
(ils ne contiennent pas de carbones !).
L ’élasticité est due à la souplesse des liaisons O-Si-O
Applications :

17. III. Les grandes familles de polymères
et leurs applications
Polycarbonate (PC)
On a vu la synthèse du polycarbonate thermoplastique auparavant, le polycarbonate-bisphénol.
Mais il peut s ’agir également d ’un matériau réticulé, plus résistant :
Une polymérisation radicalaire vinylique est donc
possible, qui assurera la réticulation
(2 groupes par motifs)
On prend un monomère possèdant des groupes vinyl :
Applications :
et tous les plastiques transparents (Plexiglas®)
Morphologie: amorphe (bien sur, car transparent !)
Température de transition vitreuse: 150 oC

18. La fibre de Kevlar
poly(p-phenyleneterephtalamide)
On retrouve cette orientation axiale dans le Kevlar :
Axe de la fibre
Ce polyamide aromatique, pour être
mis sous forme de fibre, est solubilisé
dans l’acide sulfurique, et filé par
précipitation dans l’eau, suivie
d’un étirage
Le Kevlar est 20 fois +
résistant
que l ’acier
En + des liaisons covalentes,
des liaisons H se forment, qui assurent
la cohésion entre chaînes, et des interactions -
IV. Quelques petits plus

19. Les colles
Une colle demande : 2- Adhérence sur substrats
3- Viscosité maximale (voire rigidité selon usage)
4- Fluage minimum
1- Facilité d ’application
1- Facilité d ’application La colle doit être fluide à froid
2- Adhérence sur substrats
3- Viscosité maximale
4- Fluage minimum
Réticulation des chaînes
Fonctions réactives : groupes amine ou phénol
IV. Quelques petits plus
C’est un secteur en plein « boom » : remplacer vis, clous, rivets, …

20. Les colles
Résine époxyde (déjà vues)
IV. Quelques petits plus
1.
2.

21. Acrylique Typiquement, ce sont les cyanoacrylates (type Super Glue III)
La polymérisation est anionique
L ’eau joue le rôle de base
faible (de Lewis), donneur
d ’un doublet d ’électrons.
C ’est l ’initiateur
Polyuréthane
Les polyuréthanes donnent des colles très résistantes mécaniquement, tenant assez bien
à la température et à l ’eau (pas d ’hydrolyse).
Par contre, ce ne sont pas des chaînes réticulées. Les résines polyuréthane sont donc
solubles dans de nombreux solvants.
Les colles IV. Quelques petits plus
cyanoacrylate

22. Vinylique
La polymérisation :
Le poly(vinylacetate), ou PVA, est utilisé comme colle à bois, à papier ou textiles.
Le PVA n ’est pas un polymère réticulé (ou réticulé de façon non contrôlée : PRV)
Il est donc thermofusible
Le poly(vinylalcool) (qu’il ne faut pas confondre avec le PVA), est soluble dans l ’eau
: colle des timbres, des enveloppes
Les colles IV. Quelques petits plus

23. Les peintures
Elle représentent un champ important d’application des polymères
Composition d ’une peinture
Pigment (protection : polymère ; couleur : pigment minéral)
Liant (polymère)
Véhicule (eau, solvants organiques, ethylene glycol)
toxiques
L ’eau est de + en + utilisée
(environnement)
Il existe différents types de peinture à l ’eau
fonct° avec -NH3
+ ou -COO- (électrostat.)
fonct° avec PEG
Vinylique
Acrylique (émulsion)
IV. Quelques petits plus

24. Industrie automobile : dépôt de peinture par voie
Cathodique (-NH3
+)
Anodique (-COO-)
Un champ électrique à un voltage d’environ 80.000 à 120.000 volts est crée entre la
tête de l’appareil et l’objet à peindre, mis à la masse.
La peinture électrisée se dépose régulièrement sur l’objet à peindre :
Méthode électrostatique
Avantages
- Pratiquement pas de perte de peinture, d’où économie
- Base aqueuse
- Permet de traiter des pièces de toutes formes
Inconvénient
- La peinture destinée au procédé électrostatique doit posséder obligatoirement une
résistivité comprise entre des valeurs bien déterminées
Les peintures IV. Quelques petits plus

25. Vinylique
Il s ’agit d ’une dispersion de PVA
dans l ’eau
Les peintures IV. Quelques petits plus

26. Peintures cellulosiques (vernis)
O
H
O
H O
H
O
H O
H
O
H O
H
OH
HO
H
H
OH
CH2OH
H
H
CH2OH
OH
H
H
OH
OH
H
H
OH
CH2OH
H
H
CH2OH
OH
H
OH
H
H
OH
n
La cellulose n ’est pas un polymère synthétique.
Mais sa MW est ajustée, par hydrolyse, pour obtenir
une viscosité acceptable pour l ’application
Enchaînement de
cycle ‘ sucre ’
Elle est appliquée dans un solvant organique
Après évaporation, les chaînes forment, entre elles, des liaisons H
Forment un polymère cristallin
Grande résistance de
la peinture
Les peintures IV. Quelques petits plus

27. La mise en œuvre des plastiques

28. La mise en œuvre des plastiques
Les conditions de mise en œuvre ont une influence déterminante sur les propriétés
essentiellement du à l ’éventuelle cristallisation du polymère
Par exemple, l’étirage favorise la cristallisation (cf. textiles)
Les méthodes de mise en forme
Moulage Extrusion Calandrage
Compression Transfert Injection Extrusion Extrusion-soufflage
IV. Quelques petits plus

29. Moulage
Compression
et Transfert
Injection
Technique : classique du moulage
Plastiques : plutôt les réticulables (résines phénoliques,
aminées, polyesters insaturés et époxydes)
Technique : la matière est fluidifiée (chauffée), puis injectée
sous forte pression dans le moule.
Plastiques : plutôt les thermoplastiques (PE,polyamides,
polycarbonate, ABS,PS,…de faible MW, pour
une viscosité à chaud minimale)
Calandrage
Technique : compression sur rouleau
Plastiques : les thermoplastiques (PVC, PE, PP, PS, ABS,...)
Applications : fabrication des films, feuilles et plaques
La mise en œuvre des plastiques IV. Quelques petits plus

30. Extrusion
Technique : consiste à pousser la matière fluidifiée à travers une filière
Plastiques : les thermoplastiques (PVC, PE, PP, PS, ABS,...), de MW +
grande que pour l ’injection, pour avoir une bonne tenue en
sortie de filière.
Applications :profilés (tubes, tuyaux, barres, …)
enrobage de câbles
films, feuilles, plaques (suivi d ’un calandrage)
C ’est la technique la + utilisée actuellement :
• très économique (rapide)
•donne de bonne propriétés à la matière extrudée
Le passage dans la filière oriente les
macromolécules.
cristallisation
L ’anisotropie du matériau lui confère des propriétés mécaniques, dans le sens de
l ’orientation du matériau
La mise en œuvre des plastiques IV. Quelques petits plus

31. Moulages
Par injection
Par compression-transfert
Par compression
La mise en œuvre des plastiques IV. Quelques petits plus
La filière permet
d’orienter les chaînes

32. Extrusions
Extrusion-soufflage :
Extrusion-gonflage
Extrusion
La mise en œuvre des plastiques IV. Quelques petits plus

33. Autres
Pultrusion
Enroulement
Enduction
Calandrage
La mise en œuvre des plastiques IV. Quelques petits plus

34. Autres
Thermoformage :
Reaction- Injection-Molding (RIM)
(Injection-réaction-moulage)
La mise en œuvre des plastiques IV. Quelques petits plus
Technique utilisée pour les
polymères réticulés (bi-composants)

35. Le recyclage

36. Les polymères non réticulés peuvent être recyclés, par simple chauffage.
Les polymères réticulés normaux ne peuvent pas être recyclés parce qu'ils ne fondent pas,
car la réticulation attache toutes les chaînes de polymères ensemble, rendant l'écoulement du
matériau impossible.
D ’où l ’idée d ’une réticulation réversible : Les liaisons crées lors des réticulations
habituelles sont covalentes, attachant les chaînes de polymères en une seule molécule. La
réticulation réversible utilise des liaisons dites ‘ secondaires ’ : les liaisons hydrogène et
les liaisons ioniques.
Dans ce cas, quand le matériau est chauffé, la réticulation est détruite. Cela permet de
mettre en forme le matériau, et surtout de le recycler. Quand on le refroidit, la réticulation se
reforme.
Deux approches ont été utilisées, les ionomères et les copolymères blocs.
Un point essentiel des nouveaux matériaux est leur capacité à être recyclés
polymère
non réticulé
(thermoplastique)
réticulé
On a 2 types de polymères :
Le recyclage IV. Quelques petits plus

37. Les polymères à blocs.
Le recyclage IV. Quelques petits plus
Les agglomérats de polystyrène se
dissocient quand on chauffe
Recyclage possible
(comme un polymère non réticulé)
Le recyclage IV. Quelques petits plus
Les ionomères.
Exemple du SBS
Exemple du polyacrylonitrile

38. FIN