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RÉSUMÉ
La caractérisation et le contrôle des matières plastiques sont des étapes primordiales pour la conception et la production de pièces de qualité. L'acquisition de données pour les logiciels de conception, modélisation et simulation, l'évaluation des durabilités sont essentielles pour la conception. Le contrôle traditionnel évolue vers des techniques plus sophistiquées, plus diversifiées et plus rapides afin de tester les produits directement sur les lignes de production, et parfois même pour un pilotage automatisé. L'utilisation de méthodes mathématiques s'est également développée pour l'établissement de plans expérimentaux, l'exploitation des résultats et les prévisions de durabilité à long terme.
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Michel BIRON : Ingénieur de l'Institut national supérieur de chimie industrielle de Rouen (INSCIR) et de l'Institut français du caoutchouc (IFC) - Consultant
INTRODUCTION
Les matières plastiques sont devenues des matériaux incontournables aussi bien pour les utilisations courantes que pour des applications aussi performantes que l'aéronautique ou l'électronique pour n'en citer que deux exemples. Les tonnages utilisés sont impressionnants (270 millions de tonnes en 2012), intermédiaires entre ceux des aciers et de l'aluminium, avec un taux de croissance supérieur à celui des matériaux traditionnels. L'industrie des plastiques est encore jeune et nécessite de nombreuses caractérisations sophistiquées en plus des besoins courants concernant le contrôle. La caractérisation et le contrôle des matières plastiques sont des étapes primordiales pour la qualité des pièces produites par les transformateurs ou achetées par les utilisateurs. Les implications économiques sont de plus en plus importantes d'autant que les sources d'approvisionnement se diversifient et incluent désormais de nombreux pays en plein développement industriel.
Le contrôle traditionnel a évolué vers des techniques plus sophistiquées, plus diversifiées et plus rapides permettant de tester les produits fabriqués directement sur les lignes de production. Par exemple, la conduite automatisée des presses et extrudeuses nécessite des résultats en temps réel permettant aux logiciels de conduite de réagir quasi immédiatement pour optimiser la qualité et les coûts de fabrication malgré la sévérisation des spécifications. Pour la conception des pièces et systèmes, les besoins sont énormes pour le recueil des paramètres nécessaires au fonctionnement des logiciels de conception, modélisation et simulation ainsi que pour l'évaluation des durabilités à plus ou moins long terme (jusqu'à 50 ans et plus) dans des conditions plus ou moins difficiles.
Les implications sont à la fois techniques, économiques, commerciales et environnementales pour répondre aux besoins variés des différents acteurs, producteurs, transformateurs, concepteurs, prescripteurs, moulistes, recycleurs, acheteurs et utilisateurs de pièces plastiques.
La caractérisation et le contrôle, comme toutes les autres opérations industrielles, doivent poursuivre des buts définis pour que leur coût ne grève pas inutilement les prix de revient.
Techniquement, les essais réalisés découlent des spécificités des matières plastiques et des résultats pratiques que l'on en attend. La recherche scientifique n'entre pas dans le cadre de cet article.
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Buts de la caractérisation et du contrôle
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1. Spécificités des matières plastiques
Des macromolécules organiques face aux métaux
Les matières plastiques constituent une classe particulière et jeune de matériaux qui concurrencent, entre autres, les métaux dans la conception des pièces et produits en s'en distinguant nettement par la versatilité des propriétés. La culture technique profondément imprégnée des matériaux métalliques doit soigneusement garder en mémoire ces différences de comportement et les spécificités des matières plastiques lors de l'élaboration des plans de caractérisation, contrôle et évaluation.
1.1 Structure organique macromoléculaire
Les figures 1 et 2 montrent de façon schématique la structure en chaînes macromoléculaires indépendantes pour les thermoplastiques ou liées entre elles pour les thermodurcissables. Les macromolécules sont formées de longs enchaînements d'éléments chimiques comprenant le plus souvent du carbone et de l'hydrogène mais aussi de l'oxygène, du soufre, des halogènes etc.
Ce bref panorama devrait être complété de considérations sur l'aspect morphologique, amorphe ou semi-cristallin, sur les alliages de plusieurs familles, par exemple l'ABS pour le plus connu, les possibilités de formulation et de modification etc.
ABS acrylonitrine butadiène styrène.
La structure organique induit dans des proportions variables une certaine sensibilité à la chaleur, à l'oxydation, aux agressions chimiques alors que la structure macromoléculaire favorise, particulièrement pour les thermoplastiques, un glissement des chaînes les unes par rapport aux autres ainsi qu'une flexibilité des squelettes favorables au fluage, à l'amortissement et à la relaxation des contraintes. L'utilisation de renforts fibreux, fibres de verre et fibres de carbone, ainsi que les taux élevés de réticulation et une formulation optimisée peuvent modifier drastiquement ces propriétés générales.
Enfin il faut noter que les matières plastiques dans la totalité de leur cycle de vie, peuvent se présenter sous forme solide, compacte ou cellulaire, ou sous forme pâteuse ou liquide, ce qui étend considérablement le champ des propriétés physiques ou chimiques à caractériser.
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Spécificités des matières plastiques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GUGUMUS (F.) - Polymer Degradation and Stability. - 63, 1999, p. 41.
-
(2) - GEORGET (M.P.) - * - (SIA-AFICEP, Rennes, 95/02/04).
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(3) - BIRON (M.) - Aide-mémoire Transformation des matières plastiques. - Dunod, 2010.
-
(4) - BATHIAS (C.) et coll. - Matériaux composites. - Dunod, 2009.
-
(5) - BIRON (M.) - Thermoplastics and Thermoplastic Composites. - Elsevier, 2007.
-
(6) - BIRON (M.) - Thermosets and Composites. - Elsevier, 2004.
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
– Plastiques – Analyse calorimétrique différentielle (DSC) – Partie 1 : principes généraux. Indice de classement : T51-507-1 - NF EN ISO 11357-1 - Décembre 2009
-
Caoutchouc – Analyse enthalpique différentielle (DSC) – Principes généraux. Indice de classement : T46-050 - NF T46-050 - Juin 2008
-
Plastiques – Matériaux semi-cristallins – Détermination de la température de fusion conventionnelle par analyse thermique. Indice de classement : T51-223 - NF T51-223 - Juin 1985
-
Ingrédients de mélange du caoutchouc – Huiles de mise en œuvre – Détermination de la température de transition vitreuse par DSC. Indice de classement T45-033PR. Statut : Projet de norme - PR NF ISO 28343 - Juillet 2009
-
Plastiques – Analyse calorimétrique différentielle (DSC) – Partie 1 : principes généraux - ISO 11357-1:2009 - Octobre 2009
-
Plastiques – Analyse calorimétrique différentielle (DSC) – Partie 2 : détermination de la température de transition vitreuse - ISO 11357-2:1999 - Mars 1999
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...
ANNEXES
https://www.insa-lyon.fr/en/mots-cles/plasturgie
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