Technique et Technologie des Matériaux : Les Polymères

Fiches de vocabulaire exhaustives portant sur les familles de polymères, leurs propriétés physico-chimiques, thermiques et mécaniques, les bioplastiques, le recyclage et les additifs.

Polymère

Macromolécule formée par la répétition d'unités chimiques identiques de faible masse moléculaire appelées monomères.

Parkesine®

Matière plastique à base de nitrocellulose inaugurée il y a un siècle et demi, marquant les débuts des plastiques synthétiques et servant de substitut celluloïd à l'ivoire.

Polymérisation par addition

Réaction rapide de monomères s'associant entre eux par ouverture d'une double liaison $C=C$ sous l'effet d'une énergie d'activation, sans formation d'aucun sous-produit.

Polymérisation par condensation

Réaction chimique entre deux réactifs différents pour en former un troisième, obligatoirement accompagnée de l'élimination d'un sous-produit (souvent de l'eau $\text{H}_2\text{O}$).

Polymères thermoformables amorphes

Famille de plastiques caractérisée par un désordre des chaînes moléculaires, généralement transparents, moins denses, plus rigides, plus stables dimensionnellement avec un retrait plus faible et une meilleure résistance aux chocs que les cristallins.

Polymères thermoformables cristallins

Polymères organisés en réseaux ordonnés, présentant généralement une meilleure résistance mécanique, une résistance chimique supérieure et une meilleure tenue aux températures élevées au-delà de la température de transition vitreuse.

Température de transition vitreuse ($T_g$)

Plage de température d'une dizaine de degrés au cours de laquelle un polymère passe d'un état solide rigide à un état caoutchouteux ou visqueux, entraînant une chute importante de rigidité et de viscosité.

Réticulation

Formation irréversible de liaisons chimiques tridimensionnelles (ponts) entre les macromolécules, transformant la matière en un réseau infusible, insoluble et non recyclable typique des thermodurcissables.

LDPE / PEBD (Polyéthylène Basse Densité)

Polyéthylène produit par voie radicalaire à haute pression possédant des chaînes ramifiées désordonnées, peu dense, avec un retrait au moulage important de $1{,}5$ à $3\,\%$.

LLDPE / PEBDL (Polyéthylène Basse Densité Linéaire)

Polyéthylène polymérisé à basse pression en présence d'un catalyseur favorisant la linéarité, conférant une meilleure résistance à la rupture en traction que le LDPE et permettant de créer des films plus fins.

HDPE / PEHD (Polyéthylène Haute Densité)

Polyéthylène produit par procédé catalytique à basse pression à haute linéarité moléculaire, plus dense et plus rigide que le LDPE, avec une bonne résistance aux chocs et un retrait de $1{,}5$ à $4\,\%$.

UHMWPE

Polyéthylène de masse molaire très élevée offrant une rigidité d'environ $100\,000\,\text{MPa}$ ($30\,\%$ supérieure à l'aluminium pour une densité 2,5 fois plus faible) et une résistance en traction dépassant $3000\,\text{MPa}$.

Polypropylène isotactique

Configuration stéréochimique du polypropylène où tous les groupements méthyle ($\text{CH}_3$) sont situés du même côté de la chaîne principale, conférant au matériau une grande rigidité.

Polypropylène atactique

Configuration désorganisée du polypropylène dont les groupements latéraux sont disposés de façon aléatoire, ce qui rend la matière collante et plutôt employée comme additif pour éviter l'encrassement des machines.

Effet charnière

Propriété mécanique remarquable du polypropylène (PP) permettant la flexion répétée d'une zone mince sans rupture mécanique.

EPP (Polypropylène Expansé)

Mousse technique de polypropylène légère (masse volumique de $18$ à $75\,\text{g/l}$), résiliente, étanche, flottante et résistante aux solvants ainsi qu'à des températures supérieures à $100\,^{\circ}\text{C}$.

PVC (Polychlorure de vinyle)

Matière plastique constituée de $57\,\%$ de sel marin ($\text{NaCl}$) et $43\,\%$ de pétrole, naturellement amorphe et autoextinguible, ayant une température de transition vitreuse de $82\,^{\circ}\text{C}$.

PVCC

Polychlorure de vinyle surchloré dont la teneur en chlore est portée de $57\,\%$ à $72\,\%$ en masse, augmentant sa température d'utilisation jusqu'à $110\,^{\circ}\text{C}$ au détriment de la ductilité.

Polystyrène Cristal (PS)

Polymère styrénique transparent, dur et économique, à très grande fluidité d'injection, caractérisé par une forte fragilité et une sensibilité élevée au fissurage sous contrainte (stress cracking).

HIPS (High Impact PolyStyrene)

Polystyrène modifié choc obtenu par dispersion de polybutadiène au cours de la polymérisation pour pallier la fragilité mécanique du polystyrène cristal.

EPS (Polystyrène Expansé)

Mousse de polystyrène blanche d'une densité pouvant descendre sous $0{,}1\,\text{kg/dm}^3$, produite par injection directe de gaz ($\text{CO}_2$, pentane) ou par expansion de billes à la vapeur.

ABS (Acrylonitrile Butadiène Styrène)

Terpolymère opaque réputé pour sa tenue aux chocs (même à basse température), sa rigidité, sa brillance superficielle et sa facilité de métallisation, sensible aux rayons UV.

ASA (Acrylate de butyle Styrène Acrylonitrile)

Copolymère styrénique intégrant du polyacrylate de butyle, formulé spécifiquement pour résister aux rayons UV et aux intempéries extérieures sans altération d'aspect.

SAN (Styrène Acrylonitrile)

Copolymère styrénique transparent offrant une meilleure inertie chimique vis-à-vis des huiles et des graisses et une meilleure résistance aux rayures que le polystyrène standard.

PET (Polyéthylène Téréphtalate)

Polyester thermoplastique semi-cristallin à cinétique de cristallisation lente restant transparent à l'état amorphe ou bi-orienté, imperméable aux gaz et très utilisé en injection-soufflage de bouteilles.

PETG (Polyéthylènenaphtalate glycol)

Copolyester modifié avec des comonomères glycol offrant une $T_g$ de $120\,^{\circ}\text{C}$, une grande transparence et une meilleure résilience au choc.

PC (Polycarbonate)

Thermoplastique amorphe transparent exceptionnellement résistant aux chocs, utilisable jusqu'à $140\,^{\circ}\text{C}$ ($T_g = 149\,^{\circ}\text{C}$), mais médiocre à la rayure et sensible aux bases.

PMMA (Polyméthyle méthacrylate)

Polymère acrylique amorphe connu sous le nom de Plexiglas®, doté de la plus haute transparence des thermoplastiques et d'une remarquable résistance aux UV, sensible au stress cracking.

Corian®

Matériau composite massif constitué d'un tiers de résine acrylique (PMMA) servant de liant et de deux tiers de trihydrate d'aluminium (ATH) issu de la bauxite, thermoformable et non poreux.

TPE (Élastomères Thermoplastiques)

Famille de copolymères blocs (ex. SBS, SEBS, SIS) alliant l'élasticité et le toucher doux (soft touch) des élastomères jusqu'à $-80\,^{\circ}\text{C}$ à la facilité de mise en œuvre des thermoformables.

TPV (Thermoplastiques Vulcanisés)

Mélanges élastomères-thermoplastiques dont la phase élastomérique dispersée subit une vulcanisation dynamique pendant ou après la mise en œuvre pour imiter le caoutchouc réticulé.

TPU (Polyuréthane Thermoformable)

Polymère linéaire souple caractérisé avant tout par son exceptionnelle résistance à l'abrasion et aux déchirures mécaniques.

Dureté Shore

Échelle de mesure standardisée de la dureté par pénétration d'un poinçon monté sur ressort, graduée de 0 à 100, notamment en échelle Shore A pour les matériaux souples et Shore D pour les matériaux durs.

Polyamide (PA / Nylon®)

Thermoplastique technique issu de la polycondensation d'un diacide et d'une diamine, doté d'une excellente rigidité mécanique, autolubrifiant, mais sensible à l'absorption d'eau qui agit comme plastifiant.

POM (Polyacétal / Polyoxyméthylène)

Polymère technique hautement cristallin de densité environ $1{,}4$, réputé pour ses propriétés tribologiques de frottement réduit, sa stabilité dimensionnelle et sa résistance à la fatigue.

TPO (Thermoplastiques Polyoléfines)

Alliages thermoplastiques constitués d'une matrice polypropylène dans laquelle est dispersé un élastomère (souvent EPDM) afin d'accroître considérablement la résistance à l'impact.

PBT (Polybutylène Téréphtalate)

Polyester thermoplastique cristallin souvent renforcé à la fibre de verre, possédant de remarquables qualités d'isolation électrique et une tenue thermique atteignant $200\,^{\circ}\text{C}$.

PTFE (Polytétrafluoroéthylène / Téflon®)

Fluoropolymère à très haute inertie chimique et anti-adhérence, résistant à plus de $250\,^{\circ}\text{C}$, dont la viscosité extrême à sa température de fusion de $360\,^{\circ}\text{C}$ impose une mise en forme par frittage.

PVDF (Polyfluorure de vinylidène)

Polymère fluoré semi-cristallin associant des propriétés hydrophobes, une excellente résistance chimique et aux UV, et une bonne tenue à la flamme, transformable de manière conventionnelle.

CAB (Acétobutyrate de cellulose)

Ester cellulosique issu de dérivés de sciure de bois, très transparent, peu fragile et facile à polir ou décorer, développé initialement en substitut à l'écaille de tortue.

PPE / PPO (Polyphényléther / Oxyde de phénylène)

Polymère amorphe à cycles aromatiques reliés par des ponts oxygène, utilisé en alliage (avec PS ou PA) pour apporter une haute résistance thermique jusqu'à $120\,^{\circ}\text{C}$ et une faible reprise d'humidité.

PAN (Polyacrylonitrile)

Polymère à groupements nitrile possédant d'excellentes qualités barrières à l'oxygène et au $\text{CO}_2$, servant de fibre synthétique ou de précurseur pour la synthèse des fibres de carbone.

EVOH (Copolymère Éthylène-Alcool Vinylique)

Polymère technique principalement exploité en couche barrière étanche à l'oxygène au sein de films d'emballage multicouches coextrudés.

Pyramide de performance des polymères

Classification hiérarchique séparant les polymères amorphes et semi-cristallins selon leur niveau d'exigence thermique et mécanique, des polymères de commodité ($<65\,^{\circ}\text{C}$) aux hautes performances ($>230\,^{\circ}\text{C}$).

PSU (Polysulfone)

Polymère amorphe transparent de couleur ambrée conservant ses propriétés mécaniques jusqu'à $180\,^{\circ}\text{C}$, résistant à la vapeur d'eau et compatible avec la stérilisation médicale.

PPS (Polysulfure de phénylène)

Thermoplastique haute performance cristallin alliant cycles aromatiques et atomes de soufre, fondant à $285\,^{\circ}\text{C}$, intrinsèquement ininflammable et émettant une résonance métallique au choc.

LCP (Polymères à Cristaux Liquides)

Polymères aromatiques à organisation moléculaire ordonnée à l'état liquide, atteignant plus de $40\,\text{GPa}$ de rigidité, à point de fusion supérieur à $400\,^{\circ}\text{C}$ et à très faible retrait au moulage.

PPD-T (Kevlar®)

Polyparaphénylène téréphtalamide caractérisé par une résistance en traction approchant $3000\,\text{MPa}$ et un module d'élasticité supérieur à $150\,\text{GPa}$, soit environ quatre fois les performances spécifiques de l'acier.

PEEK (Polyétheréthercétone)

Polyaryléthercétone (PAEK) haute performance semi-cristallin utilisable en continu jusqu'à $300\,^{\circ}\text{C}$, chimiquement inerte et hautement résistant aux cycles de stérilisation répétés.

PBI (Polybenzimidazole)

Thermoplastique haute performance possédant la plus haute résistance thermique ($310\,^{\circ}\text{C}$ en continu et jusqu'à $500\,^{\circ}\text{C}$ en pointe), un très faible coefficient de dilatation thermique et une dureté nécessitant un usinage au diamant.

Polyacétylène

Premier polymère organique synthétique rendu conducteur d'électricité suite à un dopage à l'iode, découverte couronnée par le prix Nobel de chimie en 2000.

SRP (Polyphénylène auto-renforcé)

Polymère vierge sans renfort présentant un module d'élasticité exceptionnel de $8\,\text{GPa}$ et une résistance en traction dépassant $200\,\text{MPa}$.

UF (Urée-formaldéhyde)

Résine aminoplaste thermodurcissable issue de l'urée et du formaldéhyde, servant principalement de colle et de liant synthétique pour les panneaux de particules de bois, contreplaqués et MDF.

MF (Mélamine-formaldéhyde)

Résine aminoplaste thermodurcissable dense, dure, autoextinguible et très résistante à l'abrasion de surface, couramment employée pour les revêtements de plans de travail (Formica®) et la vaisselle chaude.

PF (Phénoplastes / Bakélite®)

Résine thermodurcissable issue de la polycondensation de phénol et de formaldéhyde, de teinte sombre, réputée pour ses propriétés d'isolant électrique et sa grande stabilité thermique.

Résines UP (Polyesters insaturés)

Résines thermodurcissables réticulées par des monomères vinyliques (souvent le styrène), largement utilisées avec des renforts en fibres de verre pour fabriquer des pièces composites et bateaux.

Gelcoat

Résine thermodurcissable vinylester appliquée au pistolet en fond de moule pour conférer une finition de surface lisse, esthétique et protectrice aux pièces en composite.

EP (Résines polyépoxydes / Époxy)

Thermodurcissables haut de gamme réticulés par durcisseur, autoextinguibles et à très haute résistance mécanique, privilégiés avec des fibres de carbone pour les composites aéronautiques et sportifs.

Vulcanisation

Procédé chimique incorporant un agent vulcanisant (généralement du soufre, ou des peroxydes) pour créer des ponts covalents entre les chaînes d'un élastomère brut, réduisant sa plasticité et augmentant son élasticité.

Ébonite

Matériau rigide et dur de teinte ébène obtenu par vulcanisation du caoutchouc naturel avec un excès prononcé de soufre, annihilant son comportement élastique initial.

Caoutchouc naturel (NR)

Polymère élastomère issu de la coagulation du latex extrait par saignée de l'écorce de l'Hevea brasiliensis, doué d'une excellente résistance mécanique à l'abrasion et aux déformations.

SBR (Styrene Butadiene Rubber)

Caoutchouc synthétique économique associant styrène et butadiène, résistant à l'abrasion et fréquemment employé dans les bandes de roulement de pneumatiques et les semelles.

IIR (Caoutchouc Butyle)

Copolymère d'isobutylène et d'isoprène présentant une imperméabilité aux gaz exceptionnellement élevée, exploité pour les chambres à air et les membranes étanches.

EPDM

Terpolymère élastomère d'éthylène, propylène et diène monomère, offrant une remarquable résistance aux intempéries, à l'ozone et aux UV de $-50\,^{\circ}\text{C}$ à $+120\,^{\circ}\text{C}$, idéal pour les joints d'étanchéité.

NBR (Caoutchouc Nitrile)

Élastomère copolymère de butadiène et d'acrylonitrile spécialement formulé pour résister aux hydrocarbures, graisses et huiles minérales.

CR (Polychloroprène / Néoprène®)

Élastomère synthétique résistant aux huiles, à l'abrasion et aux flammes, dont la vulcanisation implique historiquement l'éthylène thiourée (ETU) comme accélérateur.

Silicones (Q / Polysiloxanes)

Élastomères réticulés dont la chaîne squelette alterne silicium et oxygène ($\text{Si}-\text{O}$), inertes et flexibles sur une très vaste plage de température de $-80\,^{\circ}\text{C}$ à $+300\,^{\circ}\text{C}$.

PVB (Polybutyral de vinyle)

Polymère transparent et très souple servant de film intercalaire adhésif entre deux plaques de verre minéral pour confectionner des pare-brise feuilletés et vitrages anti-effraction.

Plastiques oxodégradables

Plastiques conventionnels additionnés d'agents pro-dégradants provoquant la fragmentation rapide des chaînes moléculaires sous l'effet des UV et de la chaleur, générant des micro-résidus polluants non compostables.

PLA (Acide Polylactique)

Bioplastique thermoplastique biosourcé issu de la fermentation de l'amidon végétal (maïs, canne à sucre) en acide lactique, biodégradable en conditions de compostage industriel selon la norme UNI EN 13432.

PGA (Acide Polyglycolique)

Homopolymère linéaire biorésorbable formant des fibres de très haute résistance mécanique se dépolymérisant par hydrolyse, principalement utilisé pour les fils de suture chirurgicaux.

Tri par spectroscopie proche infrarouge (NIR)

Méthode de tri optique automatisée capable de trier les polymères clairs avec un rendement supérieur à $95\,\%$, mais inopérante sur les plastiques sombres ou noirs ainsi que sur les charges bromées.

Directive RoHS

Réglementation européenne restreignant l'emploi de dix substances dangereuses (métaux lourds comme le plomb, mercure, cadmium, chrome hexavalent, retardateurs bromés PBB/PBDE et 4 phtalates) dans les équipements électriques et électroniques.

Directive REACH

Règlement européen imposant aux industriels la charge de la preuve quant à l'innocuité toxicologique et environnementale des substances chimiques avant commercialisation selon le principe de précaution.

PFAS

Substances per- et polyfluoroalkylées dotées de liaisons carbone-fluor ($\text{C}-\text{F}$) extrêmement stables, qualifiées de polluants éternels en raison de leur persistance totale dans la nature et le corps humain.

Plastifiants

Solvants lourds organiques (comme les phtalates) introduits à au moins $10\,\%$ en masse pour s'insérer entre les chaînes de polymères, abaisser la $T_g$ et transformer un polymère rigide en produit souple.

Compoundage

Étape d'extrusion et de granulation assurant le mélange intime et l'homogénéisation d'une résine polymère brute avec ses charges minérales, additifs et mélanges-maîtres colorants.

Mat de verre

Nappe de renfort textile pour composites constituée de fibres de verre courtes coupées et réparties de manière aléatoire et isotrope sans orientation mécanique privilégiée.