Caractérisation des Polymères chapitres 1 à 3 Cours de Matériaux Plastiques Caractérisation des Polymères chapitres 1 à 3 D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

1) INTRODUCTION La recherche des combinaisons ”chimique” par l’agencement de monomères permet d’entrevoir les caractéristiques du matériau polymère ainsi fabriqué. Les méthodes de mise en œuvre notamment par le respect des courbes de transitions et des températures d’utilisations nous orientent vers des structures plus ou moins cristallines du matériau. Et enfin l’apport d’adjuvants tels que les plastifiants et de renforts nous permet d’accroître encore ces caractéristiques intrinsèque du matériau. Cependant, cette définition théorique des caractéristiques envisagées nécessite des méthodes d’essais des matériaux permettant de quantifier ces paramètres. Essais : - Thermomécaniques à vitesse nulle - Thermomécaniques à vitesse lente - Thermomécaniques au choc - Thermomécanique à long terme sous sollicitation constante - Thermomécanique à long terme sous sollicitation répétées - Physico-chimiques D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

2) Les essais thermomécaniques (À VITESSE NULLE) Les essais thermomécaniques permettent de juger des effets de la température sur le comportement mécanique du matériau. Nous verrons les essais suivants : Fléchissement sous charge Evolution de la flèche sous charge Essai Vicat Essai de dureté D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

2) Les essais thermomécaniques (À VITESSE NULLE) 2.1) Fléchissement sous charge (NF EN ISO 75 (NF.T.51.005))   Une éprouvette de dimensions normalisée repose par la tranche sur deux appuis simples, distants de 100 mm.   On note la température pour laquelle l’éprouvette présente une flèche centrale normalisée (déformation en mm) fonction de la hauteur de l’éprouvette, sous l’action d’une charge ponctuelle engendrant une contrainte maxi de 1,8 MPa (méthode A) ou 0,45 MPa (méthode B) et d’une élévation de température de 120°C/h. D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

2) Les essais thermomécaniques (À VITESSE NULLE) 2.1) Fléchissement sous charge (NF EN ISO 75 (NF.T.51.005))   La force à appliquer sur l’éprouvette se calcule donc par :   F = (2 x  x b x h² ) / (3 x L ) Avec : -  : la contrainte dans l’éprouvette (dépend de la méthode utilisée A ou B) - b : épaisseur de l’éprouvette - h : hauteur de l’éprouvette - L : distance entre appuis Cet essai permet notamment d’évaluer la température maximale d’utilisation du matériau et d’en délimiter son domaine d’utilisation. D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

2) Les essais thermomécaniques (À VITESSE NULLE) 2.2) Evolution de la flèche sous charge (NF.T.21.222)   On peut lors de l’essai de fléchissement sous charge enregistrer les courbes déformations-températures qui permettent de donner plus d’information et plus de précision sur le comportement du polymère aux abords de la température trouvée lors de l’essai précédent. On détermine les températures pour lesquelles la déformation atteint 2 fois, 5 fois, 10 fois la flèche obtenue à 23 °C. On note ces températures t2, t5 et t10 D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

2) Les essais thermomécaniques (À VITESSE NULLE) 2.3) Essai Vicat (ISO 306 (NFT.51.1021))   Cette mesure concerne uniquement les matières thermoplastiques, pour lesquelles on détermine la température à laquelle une tige métallique à extrémité plate de 1 mm² de section, chargée d’une masse de 1 kg (méthode A) ou de 5 kg (méthode B), pénètre de 1 mm dans un échantillon. La montée en température étant de 50 °C/h. Il est préférable d’enregistrer les courbes de pénétration en fonction de la température pour permettre de donner plus d’information et plus de précision sur le comportement du polymère, ce qui est souhaitable pour les polymères cristallins qui ne présente pas un ramollissement aussi net que les polymères amorphes. Cette température conventionnelle permet entre autre de déterminer la température de démoulage d’un polymère D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

2) Les essais thermomécaniques (À VITESSE NULLE) 2.4) Essais de dureté   2.4.1) Dureté Barcol La mesure est basée sur la pénétration dans l'échantillon d'un pénétrateur à pointe sur lequel est exercé un effort constant par l'intermédiaire d'un ressort. La dureté (ou graduation lue sur le cadran), est fonction de cet enfoncement Cette méthode convient spécialement aux matières homogènes. Le petit diamètre de l'aiguille entraîne une grande dispersion de mesures pour des matériaux à structure granuleuse, fibreuse, ou grossière, et implique un grand nombre d'essais pour déterminer une moyenne. D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

2) Les essais thermomécaniques (À VITESSE NULLE) 2.4) Essais de dureté   2.4.2) Dureté Shore Cette méthode est un essai essentiellement conçu dans un but de contrôle (NF T 51-109, ISO 868). Un essai consiste à appliquer, par l'intermédiaire d'un ressort étalonné, un effort tendant à enfoncer un pénétrateur de forme définie dans le matériau à essayer. La mesure sur le cadran se fait entre 100 et 0 (100 dureté maximale pénétration nulle, 0 pénétration maximale). Suivant la forme du pénétrateur, on définit des duretés Shore A ou D D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) Par opposition avec les essais d’impact ou de choc, ce sont des essais conduits à des vitesses maximales de déplacement de 500 mm/min 3.1) Essais de traction   La norme NF T 51-304 définit les conditions d’essais ainsi que la forme des échantillons. La figure ci-dessous rappelle l’essentiel des dimensions types. Une nouvelle norme définit la géométrie d’une éprouvette dite « multi-usage ». Cette éprouvette peut permettre, outre les essais de traction, la découpe d’éprouvettes de choc et de flexion dans la partie calibrée. Les rayons de raccordement sont différents. D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.1) Essais de traction 3.1.1) Obtention des éprouvettes   L’éprouvette peut-être : - usinée mais ce mode d’obtention peut laisser des traces d’outils préjudiciables à l’essai (amorces de ruptures) - découpées dans une pièce après formage (ex : un profilé etc…) - moulée par injection (cas le plus fréquent). Cette méthode de préparation est plus proche de la réalité des pièces injectées mais donne des valeurs optimales. (du fait qu’on mesure les propriétés sur des matières orientées) D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.1) Essais de traction 3.1.2) Définitions   • comportement des matériaux Les courbes de traction peuvent être de quatre types : D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

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LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.1) Essais de traction 3.1.2) Définitions   Courbes du type I « matériaux fragiles » Ce type de courbe, caractéristique du comportement fragile est toujours obtenu avec les matières thermodurcissables, les thermoplastiques ne présentant ce comportement qu'à basse température et (ou) à vitesse élevée de sollicitation. La contrainte et l'allongement à la rupture ainsi que le module d'Young sont alors aisément calculés. D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.1) Essais de traction 3.1.2) Définitions   b) Courbes du type II « matériaux plastiques » Un grand nombre de matières thermoplastiques présentent ce type de loi de comportement au voisinage de la température ambiante: le maximum ou seuil d'écoulement haut (Sh) correspond à l'apparition du phénomène de striction. Une réduction de section (pouvant aller jusqu'à 1/3 pour les matériaux semi-cristallins) s'amorce et se propage. Ensuite, au seuil d'écoulement bas (Sb) à charge quasi constante, jusque dans les têtes d'éprouvettes, avant d'atteindre la rupture pour des allongements pouvant dépasser 1000%. D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.1) Essais de traction 3.1.2) Définitions   Courbes du type II « matériaux plastiques » Cet étirage se traduit par une très forte orientation moléculaire. Le seuil d'écoulement est quelquefois baptisé à tort seuil de fluage ou limite élastique. La limite élastique ou, mieux, limite de linéarité, correspond au point de décollement de la tangente à l'origine et de la courbe. Les caractéristiques que l'on donne le plus souvent sont la contrainte au seuil d'écoulement haut et l'allongement à la rupture. La contrainte à la rupture n'a pas de signification physique compte tenu de la réduction de section. Les caractéristiques au seuil bas sont moins utilisées, bien qu'elles aient une importance pratique dans certains processus de mise en œuvre tels que l'étirage. D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.1) Essais de traction 3.1.2) Définitions   Courbes du type III « matériaux plastiques ». Certains polymères cristallins présentent ce comportement plastique sans seuil très marqué. Outre les paramètres de rupture, on définit un seuil conventionnel SC à l'intersection de la droite parallèle à la tangente à l’origine de la courbe III à partir d'une déformation spécifiée (0,1 à 1 %) d'après les normes. Courbes du type IV « matériaux caoutchoutiques ». Pour ce type de comportement caractéristique des élastomères et obtenu avec les polymères amorphes au-dessus de leur transition vitreuse. On retient la contrainte et l'allongement à la rupture et souvent un module sécant ES=/ (pour un  à 100% ou 200% d'allongement). D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.1) Essais de traction 3.1.3) Grandeurs déterminées suite à l’essai A partir du diagramme contrainte-déformation et de la géométrie, on détermine : la contrainte de rupture : contrainte appliquée au moment du bris = F/So avec F : force appliquée au moment du bris So : section initiale la contrainte au seuil d’écoulement : contrainte appliquée au début de la striction de l’échantillon. On se sert généralement de cette contrainte comme limite élastique, ce qui n’est pas tout à fait rigoureux, mais simplement pratique module d’élasticité longitudinal : il n’y a pas souvent, comme pour les métaux, une partie linéaire au début de la courbe ; nous sommes alors conduits à définir deux sortes de modules D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.1) Essais de traction 3.1.3) Grandeurs déterminées suite à l’essai Le module tangent est déterminé à partir de la tangente à l’origine de la courbe contrainte-déformation. Et = pente de la tangente = 1 / 1 Le module sécant est déterminé pour une déformation conventionnelle Es = 2 / 2 (2 fixé) D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.2) Essai de compression Cet essai est conduit sur un cylindre droit ou un prisme droit ou un tube droit. La norme NF ISO 604 définit les conditions d’essais. On déterminera les mêmes conditions qu’en traction. 3.3) Essai de flexion alternée Cette méthode permet de déterminer le module d’élasticité longitudinale des plastiques. Le principe utilisé est la mise en jeu de l’élasticité d’une éprouvette pour la transmission de l’énergie d’un pendule en mouvement à un second pendule, l’éprouvette d’essai servant de support à l’ensemble des deux pendules. D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.4) Paramètres influant sur les propriétés mécaniques 3.4.1 Influence de la température Les polymères présentent, pour des températures bien précises, des possibilités de mouvement de groupes latéraux ou de morceaux de chaînes. C'est dire que le comportement mécanique du matériau sera affecté au passage de ces températures. La température de transition vitreuse Tg [température à laquelle des mouvements de segments de macromolécules (50 à 100 atomes de carbone) sont possibles] est très importante. En dessous de celle-ci, les macromolécules sont, peu déformables, dans un état rigide (vitreux). Au-dessus de Tg les mouvements de chaînes rendus possibles dans les zones désordonnées amorphes permettront des déformations plus importantes et plus faciles (le module chute à partir de Tg). D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.4) Paramètres influant sur les propriétés mécaniques 3.4.1 Influence de la température La figure ci-dessous représente la variation du module en fonction de la température. La chute de module à Tg peut atteindre, pour un polymère amorphe, un rapport de 10 à 1000 (courbe I). Pour la conception d'une pièce, il est donc très important de savoir où se situera la plage de fonctionnement en température par rapport à Tg. D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.4) Paramètres influant sur les propriétés mécaniques 3.4.1 Influence de la température Exemple : La figure ci-dessous représente l'évolution des courbes de traction qui traduisent le changement de comportement en fonction de la température, pour un PMMA. D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.4) Paramètres influant sur les propriétés mécaniques 3.4.2 Influence de la cristallinité Pour les polymères partiellement cristallins, le taux de cristallinité (c'est-à-dire le volume de matière bien ordonnée) influence les propriétés mécaniques. L’importance de la partie amorphe (désordonnée et seule sensible au passage de la transition vitreuse) sera d'autant plus réduite que le polymère est cristallin, réduisant les effets du passage à Tg. Le schéma ci-contre donne l’allure de la courbe en fonction du % de cristallinité. La courbe V (polymère cristallin à 100 %) présente un cas qui n'existe pas en réalité, il nous sert seulement à montrer que Tg n'aurait pas d'influence puisque la phase amorphe n'existerait pas. Les cristallites agissent comme un renfort liant entre elles les parties amorphes. Un polymère amorphe se prêtera bien au thermoformage. Au-dessus de Tg, il présentera des allongements importants pour des efforts réduits. D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.4) Paramètres influant sur les propriétés mécaniques 3.4.3 Influence de la masse molaire La masse molaire, qui caractérise les longueurs de chaîne, influence: - le degré d'enchevêtrement dans la zone amorphe (de petites chaînes se démêlant facilement pour casser), - la liaison intercristallites, partie amorphe (de grandes chaînes participant à différents domaines cristallins assurent une liaison intercristallites D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.4) Paramètres influant sur les propriétés mécaniques 3.4.4 Influence de la vitesse de déformation Une vitesse faible permettra, à température constante, une réorganisation macromoléculaire plus facile qu'à vitesse importante. Le module augmentera avec la vitesse alors que l'allongement possible diminuera (bris fragile) Pour étudier le comportement aux grandes vitesses, on peut utiliser l'essai de choc traction. D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.5) Torsion libre NF.T.51.104 Cette méthode d’oscillations libre permet de regarder l’évolution suivant la température du module complexe de Coulomb (cisaillement) comprenant deux composantes : - le module réel - l’amortissement. Un barreau éprouvette est encastré à ses extrémités, d’une part dans un bâti rigide et d’autre part dans un disque d’inertie. Un dispositif permet d’enregistrer le mouvement angulaire du disque lorsque celui-ci, écarté de sa position d’équilibre, revient à sa position initiale. Une méthode de calcul permet à partir du moment d’inertie I du disque et d’une constante calculée suivant le type de section du barreau testé (section cylindrique ou rectangulaire) de calculer le module réel . D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.5) Torsion libre NF.T.51.104 La capacité d’amortissement est elle calculée grâce à deux amplitudes angulaires successives dans la même direction (ex : A1, A2 etc..) L’enceinte où se déroule l’essai est régulé thermiquement de (-60 à +300°C) Cette méthode permet de déterminer l’amortissement et la rigidité à différentes températures. Remarque : il existe une méthode utilisant le même principe mais avec un pendule de flexion (appareil appelé Pendule de Rolland-Sorlin) permettant de déterminer le module d’Young en fonction de l’évolution de l’amplitude de déformation) D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.6) Résonance en flexion (NF.T.51.117) Une éprouvette, maintenue en certains points, est sollicitée en flexion à fréquence variable par un dispositif approprié. On enregistre en fonction de la fréquence l’amplitude de déformation. On sollicite l’éprouvette à différentes fréquences jusqu’à trouver celle provoquant l’amplitude maximale. La valeur de cette fréquence (fréquence de résonance : fr) ainsi que la courbe d’amplitude des vibrations en un point donné de l’éprouvette au voisinage de fr permettent de déterminer le module d’Young et l’amortissement. D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.7) Essais de frottement - usure – rayure Les définitions sont données dans la norme (NF T 51-108). 3.7.1 Frottement et usure en contact linéaire L’essai (NF T 51-107) consiste a faire frotter par glissement un patin fixe de forme parallélépipédique sur une piste constituée par un tambour cylindrique animé d'un mouvement de rotation, uniforme puis : - à mesurer l'aire de la projection de la surface de contact caractérisant l'usure, - à étudier la variation de cette aire pendant l'essai, - à évaluer le coefficient de frottement . D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010

LES ESSAIS THERMOMECANIQUES (A VITESSE LENTE)) 3.7) Essais de frottement - usure – rayure 3.7.2 Frottement et usure en contact plan Le contact et dans ce cas plan. On détermine l’usure par la perte de masse du frotteur et de la piste. 3.7.3 Résistance à la rayure L'essai consiste à déterminer la charge sous laquelle une pointe de diamant de forme définie provoque sur la surface de l'éprouvette une rayure de largeur déterminée (50 µm en l'absence de spécification) (NF T 51-113). Le résultat s'exprime en newtons. D.GRIDAINE IUT de TROYES L.P. MCA 2009/2010