Matériaux Plastiques Objectif général: Désigner un matériau en satisfaisant des critères de choix (propriétés mécaniques, sollicitations, traitements.

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1 2022-9-1 Matériaux Plastiques Objectif général: Désigner un matériau en satisfaisant des critères de choix (propriétés mécaniques, sollicitations, traitements et applications...). 1 Mme Ons Marzouki - Mme Olfa TORJEMAN Année universitaire 2018-2019

2 2022-9-1 Chapitre 1 : Introduction aux matériaux 2 Objectifs spécifiques: Distinguer : - Familles des matériaux - Classer les polymères - Définir leurs propriétés

3 2022-9-13 Généralités  Les matériaux ont toujours été d’une importance majeure par la civilisation humaine.  Les différentes époques de l’humanité ont été marquées à chaque fois que l’Homme maitrisait un matériau: Age de la pierre Age du cuivre Age du bronze : le fruit du hasard de la fusion du cuivre et de seofszfiofojjfjjjosdojjcfjdsjjsjjl’étain. Age du fer : Révolution industrielle de la fin du 19 ème siècle, L’extraction du fer de son minerai date de 3500 avant J.C.  Le premier métal : l’Or. 3

4 2022-9-14 Les matériaux et les chiffres 4

5 2022-9-1 Les matériaux et les chiffres 118 éléments chimiques du tableau périodique 80 éléments métalliques 70 % éléments de la terre sont des métaux Des éléments métalliques sont utilisés en grande quantité pour des fins pratiques: Fer98% des métaux produits Aluminium0.8% Cuivre0.7% Pb, Zn, Ni, Ti, Mg0.5% 5

6 2022-9-16 Le choix et l’utilisation d’un matériau - Bonne résistance mécanique - Résistance acceptable à la corrosion - Mise en forme facile ( usinabilité, mouillabilité,soudabilité) - Possibilité de recyclage - Coût et disponibilités raisonnables …… 6

7 2022-9-17 Les matériaux et les critères de choix  Propriétés quantitatives Générales: volume atomique / densité… Thermiques: point de fusion / conductivité thermique / diffusivité thermique… Électriques: résistivité … Mécaniques: module d’Young / module de poisson / limite d’endurance / ductilité / ténacité / module de cisaillement…  Propriétés qualitatives (fonction des sollicitations environnementales) Résistance à l’oxydation, à l’usure… Résistance à la corrosion (exp: Pt :platine ; Alliages à haute teneur en Cu) Mise en forme (usinabilité, soudabilité) Possibilité de recyclage (les thermodurcissables (époxy) et le problème de recyclage) Coût et disponibilité raisonnables 7

8 Comment on détermine ces propriétés ? 8 Les essais : -traction : mesure leur élasticité et leur ténacité. -torsion : définit les limites d’élasticité et de rupture. -résilience : résistance à la rupture lors d’un choc. -dureté : résistance à la pénétration d’un objet dans le matériau. -Autres : malléabilité, ductibilité, fluage…

9 2022-9-1 Familles des Matériaux 9 Métaux et alliages Aciers Aluminium Or Bronze Fontes Zinc Tungestène Matériaux Organiques - Organiques Naturels (bois,soie,coton, cuir...) - Organiques Synthétiques (les polyméres) Verres & Céramiques Verres Bétons Céramiques techniques (Diamants,carbure s..) Roches Porcelaines... Matériaux Composites Matrice céramique Matrice métallique Matrice polymère + Renfort

10 2022-9-1 Quiz sur les familles des matériaux 10 1- Je suis plutôt léger, je ne rouille pas, je peux être transparent ou de différentes couleurs, je me plie facilement à chaud ou à froid et on me fabrique à partir du pétrole ou du carbone. Qui suis-je ? 2- Je suis transparent, dur et cassant, je ne peux pas être plié, mais pour être mis en forme il faut me chauffer à très haute température, on me fabrique à partir de silicate (sable pur). Qui suis-je ? 3- Je suis le plus souvent dur, lourd et solide, parfois je rouille, je peux difficilement être mis en forme mais on peut me souder, on me fabrique à partir de minerais. Qui suis-je ? Je suis esthétique et assez léger, je ne peux pas être plié, mais on peut me donner toutes les formes en me sculptant, dans la nature on me trouve facilement et on dit de moi que je suis un matériau noble. Qui suis-je ?

11 2022-9-1 - acier, - fonte (Fe+c), - bronze (Cu+Sn), - laiton (Cu+Zn), - aluminium 11 1.Qu’est-ce qu’un Métal ?

12 2022-9-1 Les propriétés des métaux conférées par les électrons libres sont: bons conducteurs d’électricité et de chaleur susceptibles d’émettre des électrons sous l’effet de l’échauffement (importance en électronique) solides à température ambiante ( sauf Hg) mise en forme relativement facile (bonne plasticité) opaques (bonne aptitude à la réflexion) 12 1.Qu’est-ce qu’un Métal ?

13 2022-9-1 Exemples : SiO 2 (dioxyde de silicium) Al 2 O 3 (alumine) SiC… 13 2.Qu’est-ce qu’un Matériau céramique?

14 2022-9-1 Les céramiques sont obtenues à partir de terre argileuse et subissent une cuisson à température élevée. Le verre désigne un matériau dur, fragile et transparent. Il est constituée d'oxyde de silicium, le constituant principal est le sable. Propriétés : matériaux durs, résistants à haute température (réfractaires), fragiles, isolants de l’électricité et de la chaleur, résistants à l’environnement (corrosion)… 14 2.Qu’est-ce qu’un Matériau céramique ?

15 2022-9-1 15 3.Qu’est-ce qu’un Matériaux organiques ? Matériaux organiques Synthétiques Matériaux organiques naturels

16 2022-9-1 Ils se trouvent dans la nature et ont soit une origine animale soit une origine végétale. Laine Cuir 3.1Qu’est-ce qu’un Matériaux organiques naturels ?

17 17 Les polymères, c’est quoi ? Polymère  poly (nombreux) + meros (parts) Molécule de (très) haute masse molaire, résultant de l'enchaînement covalent d'unités structurales identiques (unités de répétition) Les macromolécules existent sous de multiples conformations, le plus souvent sous forme de pelotes, parfois sous forme de bâtonnets 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériaux organiques Synthétiques ?

18 18 Matériaux Polymères A quoi ça sert ? Comment le faire ? 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériaux organiques Synthétiques ?

19 NomTemp. d’ébullition °CFormule Méthane−161,4 °CCH 4 Éthane−88,6 °CC2H6C2H6 Propane−42,2 °CC3H8C3H8 Butane−0,5 °CC 4 H 10 Pentane36,3 °CC 5 H 12 hexane69 °CC 6 H 14 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériaux organiques Synthétiques ? Comment le faire ?

20 Procédé général d’obtention de la matière plastique Schéma de fabrication de procédé de fabrication des pièces en plastiques 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériaux organiques Synthétiques ?

21 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? Un « plastique » est un mélange dont le constituant de base est une résine [ ou polymère = composée de longues chaines de polymères ], associée à des adjuvants ( stabilisants, anti-oxydants, … ) et des additifs ( colorants, fongicides, … ) 21 PLASTIQUE = POLYMERE + ADJUVANT + ADDITIF CH 3 n polypropylène

22 Rôle des composants auxiliaires : Indispensables pour donner aux produits finis les caractéristiques techniques désirées. Selon leur quantité, L’adjuvants ou d’additifs  Plastifiants (phtalates …)  Charges et renforts  Pigments et colorants (azoiques…)  Solvants  Catalyseurs et accélérateurs  Durcisseurs ( amines …)  Stabilisants et anti-oxydants  Ignifugeants et retardateurs de combustion  Agents moussants et gonflants 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ?

23 la résine est un matière organique ; est un mélange de molécules en longues chaînes appelées polymères Un polymère est un ensemble des molécules appelées monomère. À partir de petites molécules appelées monomères, on obtient de grosses molécules appelées polymères ou macromolécules. Les chaînes polymérisées de molécules carbonées. On utilise souvent les extraits du pétrole. La polymérisation c’est l'assemblage de particules de monomères pour former une chaîne qui constituera le polymère. 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ?

24 24 Applications innombrables : on les retrouve partout, du sac plastique à l'ADN 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organiques Synthétiques ? à quoi ça sert? BTP 18,90% Emballage 37,30% Automobile 7,20% Agriculture 2,60% Industrie lourde 5,40% Électricité et électronique 7,30% Autres utilisations domestiques (sport, loisirs, santé, mobilier …) 21,30% BTP 18,90% Emballage 37,30% Automobile 7,20% Agriculture 2,60% Industrie lourde 5,40% Électricité et électronique 7,30% Autres utilisations domestiques (sport, loisirs, santé, mobilier …) 21,30%

25 Les Plastiques Elastomères Thermodurcissables Thermoplastiques 25 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ?

26 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériaux organiques Synthétiques ? Thermoplastiques Le produit initial est malléable par voie thermique. Ces résines peuvent être ramollies par chauffage et durcies par refroidissement. L ’opération est réversible et peut être répétée plusieurs fois. La matière peut à nouveau être refondue par chauffage de manière répétitive.

27 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? Les avantages : - Rigidité - Stabilité formes et dimensions - collage, décoration,et impression facilité - brillance - bonne résistance aux chocs et aux rayures - coût réduit Les inconvénients : - fragilité - mauvaise tenue thermique Thermoplastiques

28 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? Utilisations : Emballages thermoformé Electroménager Jouet (LEGO) Automobile - Elements de garnissages - Calandre Exemple:Le PVC Thermoplastiques Caractéristiques: Le PVC U (rigide)est utilisé dans les tubes, les tuyaux (non alimentaire) Le PVC P (souple) est utilisé dans les pales de ventilateurs, les canalisations

29 2022-9-1 29 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? Thermoplastiques

30 2022-9-130 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? Thermoplastiques

31 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? Thermoplastiques LES CLASSES DE THERMOPLASTIQUES :

32 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? LES TECHNIQUES DE MISE EN OEUVRE Thermoplastiques Injection Extrusion Calandrage Enduction Revêtement par poudre Thermoformage Coulée, rotation, trempage, frittage

33 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? Thermodurcissable transformées par la chaleur Ces résines peuvent être transformées par la chaleur en un état infusible et insoluble. Les thermodurcissables prennent leur forme définitive au premier refroidissement, la réversibilité est impossible. irréversible impossible L ’opération est irréversible et le recyclage des déchets est impossible.

34 On les trouve sous forme liquide, pâteuse ou solide. Ils sont utilisés en : - résines : articles de sport, coques, pièces pour l’aéronautique... - adhésifs : collage de béton, de métaux, de plastiques... - poudres à mouler : isolation électrique... - peintures et vernis, - composites hautes performances. 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? Thermodurcissable

35 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? Thermodurcissable Les avantages : - Résistances au fluages - Surfaces dures et lises - Résistances à la températures - coût réduit Les inconvénients : - couleurs foncées seulement - odeurs désagréables

36 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? Thermodurcissable Utilisations : Electricité (isolant) Sanitaire (Abattants de W-C) Vaisselle (assiettes, bols, saladiers) Cendriers, bouchons Exemple: Le POLYESTER Utilisations courantes: carrosseries, coques, cuves caractéristiques: Inflammable rigide moulage à froid

37 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? Thermodurcissable LES CLASSES DE THERMODURCISSABLES :

38 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? Thermodurcissable LES TECHNIQUES DE MISE EN OEUVRE Moulage par coulée Moulage par compression Moulage par injection Stratification entre plateaux chauffants

39 Ce qui rend les élastomères spéciaux, c'est qu'ils peuvent être étirés de plusieurs fois leur longueur d'origine, et reprendre leur forme initiale sans déformation permanente. La famille des élastomères se scinde en deux parties: - les caoutchoucs vulcanisables (Vulcanisation : procédé ou on rajoute du souffre a l’élastomère et on fait ensuite cuire le tout.) - les élastomères thermoplastiques 39 Élastomère est un grand nom savant qui ne veut rien dire de plus que " caoutchouc". Ils sont employés dans la fabrication des pneus, ce sont des matériaux très résistants. 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? Les Elastomères

40 40 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? Les Elastomères Elastomère avant étirement Elastomère après étirement Les molécules d'un morceau de caoutchouc, n'importe lequel, sont désordonnées : ce qui explique que le caoutchouc reprenne sa forme initiale

41 41 Propriétés :  Les caoutchoucs vulcanisables - nécessitent une longue préparation par mélange et malaxage avant utilisation - se déforment sous des contraintes (pneus de camions) - résistances en flexions (pneus d’automobile) - résistance au gonflement dans las fluides, tenue chaleur et chimique (joints d’étanchéité) 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? Les Elastomères

42 42  Les élastomères thermoplastiques - matériau prêt à l’emplois - excellente souplesse à chaud et à froid mais faible tenue sous une température de 60 °C (chaussures) - résistances aux déchirures, aux fluides chimiques et bonne tenue à la fatigue mais faible mémoire élastique et pertes de propriétés sous certaines températures (pare- chocs automobiles, câbleries) 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? Les Elastomères Propriétés :

43 43 - résistance à la traction - résistance au déchirement - rebond élastique - résistance à la fatigue - résistance à la chaleur - Simplicité de mise en œuvre des thermoplastiques - Même propriétés que le caoutchouc - Augmentation de certaines caractéristiques du matériaux en fonction de la résine de base utilisée. 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ? Les Elastomères Propriétés des élastomères :

44 Récapitulation des caractéristiques des polymères: 44 Avantages : -état physique variable : liquide, solide, mousse -une bonne résistance aux agents chimiques -une mise en forme facile -une densité faible (de 1 à 2.2 et les mousses<0.5) -résistivité électrique élevée -isolant acoustique -isolant thermique -Possibilité de modifier le polymère afin d’obtenir la propriété désiré Inconvénients : -des propriétés mécaniques faibles en général. -une limitation de l’utilisation à une température limitée ( 100 à 300°C) 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ?

45 Récapitulation des caractéristiques des polymères: 45 Inconvénients : -des propriétés mécaniques faibles en général. -une limitation de l’utilisation à une température limitée (100 à 300°C) 3.2 Qu’est-ce qu’un Matériau organique Synthétique ?

46 2022-9-1 Exemples : Béton (ciment + acier) Bois (résine: polymère naturel + fibres de cellulose) Propriétés : propriétés mécaniques fortement anisotropes (dépendant du sens de l’effort appliqué) les fibres de verre noyées dans un polymère donne un matériau qui a la résistance du verre et la flexibilité du polymère. 46 4. Qu’est-ce qu’un Matériau composite ?

47 Ils sont composés d’un matériau de base (matrice ou liant) renforcé par des fibres, ou agrégats, d’un autre matériau. En renfort, on utilise la fibre de verre (économique), la fibre de carbone (plus coûteuse) et enfin les fibres organiques (kevlar). Les matériaux ainsi obtenus possèdent des propriétés mécaniques supérieures à celles des constituants utilisés séparément. 47 4. Qu’est-ce qu’un Matériau composite ?

48 2022-9-1 48 Propriétés des grandes familles des matériaux

49 49 Chimie Macromoléculaire Polymères Matériaux Polymères OutilsProduits Quelle chimie ? Quel procédé ? Transformateur Mise en œuvre (extrusion, moulage …) Plastiques Matériaux Plastiques BESOINSMOYENS Adjuvants Renforts Chapitre suivant ?