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RÉSUMÉ
Dans la transformation des polymères en matières plastiques, la connaissance des relations entre la pression, le volume spécifique et la température, ou entre la pression, la masse volumique et la température est fondamentale. Cela est encore plus vrai dans le processus le plus couramment utilisé qu’est l'injection. En effet, lors du retrait, le polymère thermoplastique fondu se contracte et le volume occupé par la pièce solidifiée devient inférieur à celui de l'empreinte du moule. Cette contraction correspond à une organisation de la matière selon une structure semi-cristalline plus dense que la phase amorphe de l'état fondu. Par l’identification des paramètres critiques qui gouvernent l’injection plastique, les mesures de PvT permettent d'améliorer les paramètres des logiciels de simulation de ces phénomènes, et ainsi de les rendre mieux prévisibles.
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Bernard LE NEINDRE : Docteur ès sciences - Directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique (CNRS)
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Patrick CANCOUËT : Docteur ès sciences physiques, ingénieur chimiste - Directeur recherches et développement (ATOMER)
INTRODUCTION
La connaissance des relations entre la pression, le volume spécifique et la température (PvT) ou entre la pression, la masse volumique (l'inverse du volume spécifique) et la température (P,
, T) des polymères est fondamentale pour la transformation des polymères en matières plastiques, notamment dans le processus le plus couramment utilisé : l'injection. En effet, lors de l'injection, une empreinte est remplie de polymère thermoplastique fondu. La pièce se contracte lors du refroidissement et le volume occupé par la pièce solidifiée est inférieur à celui de l'empreinte du moule (phénomène communément appelé retrait). Cette contraction correspond à une organisation de la matière selon une structure semi-cristalline plus dense que la phase amorphe de l'état fondu. Dans la phase cristalline, les segments de chaînes s'assemblent de façon ordonnée et compacte. En outre, au cours du refroidissement, des défauts apparaissent ; certains sont des défauts d'aspect ou retassures, d'autres des défauts géométriques ou gauchissement. Les mesures de PvT permettent d'identifier les paramètres critiques qui commandent l'injection plastique et d'améliorer les paramètres des logiciels de simulation de ces phénomènes en rendant ces derniers mieux prévisibles.
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2. Dispositifs de mesure de PvT
Dans la littérature, de nombreux dispositifs ont été décrits pour mesurer les changements dimensionnels d'un matériau en fonction de la température et d'autres variables. Deux méthodes sont largement utilisées pour déterminer les variations de volume en fonction de la température et de la pression : la technique du piston-cylindre et la technique du piézomètre [1].
2.1 Technique du piston-cylindre
Dans cette technique, le matériau est confiné dans un cylindre ou une matrice rigide qu'il remplit complètement. La pression est appliquée par un piston supportant une charge, et le déplacement du piston, enregistré en fonction des variations de température et de pression, sert à calculer le volume spécifique de l'échantillon.
Le défaut principal de cette mesure par compression directe est que l'état de contrainte de l'échantillon solide dans les états vitreux et cristallin n'est pas hydrostatique, car l'échantillon se trouve soumis à un gradient de pression. Cette situation sera très différente de celle d'un échantillon maintenu sous pression hydrostatique, si son module de cisaillement n'est pas beaucoup plus petit que son module de compression. Ce n'est que pour les polymères fondus que les mesures de volume peuvent être réalisées dans des conditions quasi hydrostatiques.
Dans l'état liquide, où la pression est bien hydrostatique, une autre complication pratique peut survenir, qui est la fuite autour du piston. C'est souvent le cas quand un polymère liquide de faible viscosité est étudié. Pour assurer l'étanchéité, il faut concevoir des joints complexes, présentant une friction importante, pouvant mener à des incertitudes dans la mesure de la pression appliquée et du déplacement du piston. En outre, le piston peut s'immobiliser si un échantillon se solidifie pendant une expérience. D'autres complications peuvent survenir et mènent à des résultats contestables, par exemple lorsque l'échantillon se solidifie brusquement, colle à la paroi, forme des vides, etc. Enfin, avec ce dispositif, l'échantillon doit être fondu avant le début d'une mesure, afin de remplir complètement le cylindre ; de ce fait, toutes les informations structurales contenues dans l'échantillon original sont effacées.
L'utilisation de ce procédé pour des mesures fiables sur des matériaux solides dans un large domaine de température doit être évitée, car elle peut conduire à...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GUYOT (A.) - Polymérisation. - [J 5 830] Base documentaire « Opérations unitaires. Génie de la réaction chimique » (2000).
-
(2) - CHATAIN (M.) - Comportement physique et thermomécanique des plastiques. - [A 3 110] Base documentaire « Plastiques et composites» (1993).
-
(3) - TEYSSÈDRE (G.), LACABANNE (C.) - Caractérisation des polymères par analyse thermique. - [AM 3 274] Base documentaire « Plastiques et composites » (1997).
ANNEXES
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