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NOTE DE L'ÉDITEUR
Les normes NF ISO 815-1 et -2 de décembre 2014 citées dans cet article ont été remplacées par les normes NF ISO 815-1 et -2 (T46-011-1 et -2) : Caoutchouc vulcanisé ou thermoplastique - Détermination de la déformation rémanente après compression :
- Partie 1 : à températures ambiantes ou élevées
- Partie 2 : à basses températures (Révision 2020)
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2003 (Avril 2020).
RÉSUMÉ
Les caoutchoucs sont utilisés dans des industries aussi diverses que la mécanique, l’automobile, l’aéronautique, le ferroviaire, le médical, les loisirs… Leur intérêt réside dans leur élasticité et leurs propriétés d’amortissement inégalées. Leur structure polymérique leur confère ces propriétés qui les distinguent des thermoplastiques et des thermodurcissables. Cet article présente un état de l’art actualisé de leurs méthodes d’obtention, de mise en œuvre et propriétés. On distingue les caoutchoucs d’usage général et de grande consommation dont certains sont produits à l’échelle de plusieurs millions de tonnes par an (caoutchouc naturel, SBR…), et les caoutchoucs à usage spéciaux qui présentent par exemple des tenues élevées aux températures et/ou aux produits chimiques (silicones, acryliques…).
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Rubbers are used in a broad range of applications: mechanics, automotive, aviation, railway, leisure… Their interest lies in their unmatched elasticity and damping properties. Their polymeric structure gives them such relevant properties that distinguish them from thermoplastics and thermosets. This article presents a state of the art on their manufacturing and properties performances. Rubbers are divided into two groups: general purpose rubbers, some of them being produced at several millions of tons per year (natural rubber, SBR…), and specialty rubbers offering for example a peculiar resistance to high temperatures and chemicals (silicone, acrylics...).
Auteur(s)
-
Yves DE ZÉLICOURT : Docteur en chimie de l'École Polytechnique Fédérale de Zürich, Suisse - Ingénieur conseil auprès du LRCCP (Laboratoire de Recherches et de Contrôle du Caoutchouc et des Plastiques)
INTRODUCTION
Le terme « caoutchouc » est tout à fait générique et englobe un grand nombre de familles, de propriétés et d'applications dédiées. Deux éléments particuliers le caractérisent : le rôle de la formulation qui permet l'adéquation propriétés/fonction envisagée et la vulcanisation. Les techniques de mise en forme sont pour certaines semblables à celles des autres polymères (moulage, injection, extrusion…), avec cependant des spécificités comme la confection pour les pneumatiques, ou le trempé pour les gants en latex.
D'un point de vue économique, on distingue deux grands domaines : le pneumatique et le caoutchouc industriel. Ce dernier recouvre par ordre décroissant d'importance : l'automobile, les transports hors automobile, les équipements industriels, le médical, le bâtiment, les demi-produits, les rubans adhésifs, les loisirs.
L'industrie du caoutchouc se distingue radicalement de celle des thermoplastiques par les techniques de mise en œuvre sur deux points particuliers. Concernant le premier, l'industriel prépare lui-même son « mélange » sur des outils spécifiques (mélangeur interne et mélangeur à cylindres). Il a donc ses formules propriétaires et ses propres paramètres de mélangeage mis au point et constituant son savoir-faire. Ces formulations contiennent l'élastomère de base (la gomme qui est commercialisée par de grands groupes – Lanxess, Zeon, Du Pont, Exxon…), des charges (le plus souvent le noir de carbone ou la silice), des agents de vulcanisation, des huiles et divers additifs de mise en œuvre et de protection. Le second point qui caractérise l'industrie du caoutchouc est la nécessité de vulcaniser le matériau pour lui conférer des propriétés indispensables à l'emploi, ce qui fait appel à différentes techniques : moulage à chaud, tunnel à air chaud, à micro-ondes, bain de sel… Inversement, l'industriel du secteur des thermoplastiques achète généralement directement sur le marché la matière première sous forme de granulés, qui alimentent ensuite sans aucune transformation préalable ses machines de mise en œuvre.
La problématique principale de l'industriel du caoutchouc est donc de disposer de formules et de techniques de mise en œuvre les moins chères possibles permettant d'obtenir les produits satisfaisant au mieux aux fonctions demandées. La question des coûts revêt une importance particulière dans un contexte d'augmentation des prix des matières premières liées à ceux du pétrole et à la demande croissante des pays de la zone BRIC. Cette problématique représente un enjeu difficile compte tenu des exigences des utilisateurs qui réclament par ailleurs des réductions de coût. Les contraintes environnementales constituent un second challenge, en particulier en ce qui concerne certains accélérateurs de vulcanisation considérés comme dangereux pour la santé, soit des personnels chargés de la mise en œuvre soit des utilisateurs. Ainsi ces substances visées par le règlement REACH (CE n° 1907/2006) sont progressivement remplacées par des composés non préoccupants.
Dans ce contexte, cet article présente les connaissances et les notions de base nécessaires à la compréhension des techniques propres aux caoutchoucs ainsi qu'à la grande diversité de leurs méthodes de fabrication, propriétés et prix. Il s'agit d'un aperçu général, une information plus approfondie sur un caoutchouc donné nécessitant une recherche spécifique sur la variété de ses grades disponibles commercialement, leurs formulations, mise en œuvre et propriétés correspondant à l'application visée.
Comme il est d'usage dans la profession, les compositions indiquées dans cet article, sont, sauf précision contraire, massiques.
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1. Mise en œuvre et fabrication des pièces en caoutchouc
Les pièces et articles en caoutchouc sont fabriqués suivant des méthodes spécifiques à ce matériau qui proviennent de techniques issues de l'expérience acquise depuis le xix e siècle, époque de l'essor de cette industrie. La fabrication comporte 3 étapes principales, chacune ayant une influence sur les propriétés finales du matériau. Ces étapes sont : le mélangeage, la mise en forme et la vulcanisation. Une mastication préalable au mélangeage peut être nécessaire, par exemple dans le cas du caoutchouc naturel ou de certains caoutchoucs synthétiques. Il existe en outre des techniques particulières propres à des produits spécifiques : confection pour les pneus, adhérisation pour les pièces caoutchouc/métal.
1.1 Mélangeage
L'élément essentiel qui va orienter les propriétés finales est l'élastomère de base (la « gomme ») qui est soit du caoutchouc naturel, soit fabriqué par polymérisation de monomères issus du pétrole (éthylène, propylène, butadiène, styrène…). La méthode de polymérisation et en particulier les catalyseurs employés permettent de contrôler la structure et la masse moléculaire.
Le tableau 1 présente les différents caoutchoucs et leur nomenclature normalisée (NF ISO 1629). Cette classification repose essentiellement sur le type de monomère constituant l'élastomère considéré.
Les ingrédients qui sont incorporés sont essentiellement des charges, des aides de mise en œuvre, des huiles, des agents de protection et de vulcanisation. La nature et la quantité d'ingrédients ajoutés sont déterminées par des études de formulation, souvent sous forme de plan d'expériences, qui permettent d'optimiser la composition pour satisfaire un cahier des charges ou assurer une fonction donnée. La figure 1 illustre le rôle de chaque type d'ingrédient dans la formulation des caoutchoucs
Le mélangeage est effectué en deux temps :
-
sur mélangeur interne pour l'incorporation des charges et des huiles. Ce sont des outils qui fonctionnent en discontinu et dont la capacité varie de 600 l pour les mélangeurs industriels à 2 l pour les mélangeurs de laboratoire. Au cours de cette opération, la température...
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Mise en œuvre et fabrication des pièces en caoutchouc
BIBLIOGRAPHIE
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(4) - RODGERS Bredam (M.) - Natural rubber, - 165e Meeting Division Caoutchouc (ACS), Grands Rapids, Communication A, 2004.
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(6) - MANDAL (S.K.) - Reclaiming of ground rubber tire...
LANXESS, Solution Styrene Butadiene Rubber
https://techcenter.lanxess.com
DuPont
Zeon
Dow Nordel IP Hydrocarbon Elastomer
Solvay Plastics, fluoro and perfluoroelastomers
Wacker Elastosil an all-rounder for countless applications
Bluestar silicones
http://www.bluestarsilicones.com
Virtual education in rubber technology, 2007
https://www.tut.fi/ms/muo/vert/Summaries.pdf
Rubber processing Technology 2002
La technologie des pneus à carcasse radiale Michelin
http://www.michelinearthmover.com
Tout sur le pneu
http://toutsurlepneu.michelin.com
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