Élastomère / Caoutchouc naturel

Un élastomère est un polymère présentant des propriétés «élastiques», obtenues après réticulation. Il supporte de très grandes déformations avant rupture.


Catégories :

Élastomère - Polymère - Plasturgie - Science des matériaux - Recyclage

Définitions :

  • Un matériau polymère qui, à la température ambiante, est capable de récupérer sa forme et sa dimension après avoir subi une déformation. Ce terme se rapporte le plus souvent à un polymère synthétique par opposition au caoutchouc, généralement associé aux produits naturels. (source : elastoproxy)
  • caoutchouc synthétique obtenu par polymèrisation. L'élastomère de silicone est un liquide visqueux qui vulcanise à température ambiante sous l'action d'un catalyseur. (source : artificina)
  • Polymère naturel ou synthétique possédant des propriétés élastiques analogues à celles du caoutchouc. (source : griffine)
Le caoutchouc naturel contient 99, 9 % d'unités 1, 4-cis-, au nombre d'environ 20 000. Il possède une élasticité et des propriétés mécaniques élevées, mais il est particulièrement sensible à l'action du dioxygène.

Un élastomère est un polymère présentant des propriétés «élastiques», obtenues après réticulation. Il supporte de très grandes déformations avant rupture. Le terme de caoutchouc est un synonyme courant d'élastomère.
Les matériaux élastomères tels les pneumatiques sont fréquemment à base de caoutchouc naturel (sigle NR) et de caoutchouc synthétique.
Le caoutchouc naturel est resté longtemps l'unique élastomère connu.
En 1860, le chimiste anglais Charles Hanson Greville Williams montra que ce matériau est un polyisoprénoïde.
Le premier brevet sur la fabrication d'un élastomère synthétique a été déposé le 12 septembre 1909 par le chimiste allemand Fritz Hofmann.
En toute rigueur, les élastomères ne font pas partie des matières plastiques.

Présentation

Représentation schématique d'un polymère au repos, A. Les points représentent les nœuds de réseau. B est le même polymère sous une contrainte en traction, après un simple réarrangement des chaînes. Lorsque la contrainte sera supprimée, il retournera à la configuration A.

La plupart des élastomères sont des polymères organiques. Ils sont d'excellents combustibles. Les élastomères silicone se distinguent par leur nature minérale.
Un élastomère est une matière amorphe et présentant une température de transition vitreuse (Tg) faible (fréquemment inférieure à -40 °C) [1].
Les élastomères sont le plus souvent thermodurcissables, constitués de longues chaînes polymères faiblement réticulées. Ils sont fabriqués en réalisant des pontages (courts ou longs) entre les chaînes moléculaires, en utilisant un dispositif de réticulation fréquemment complexe, sous l'effet de la température et peut-être de la pression.
À la différence d'un polymère thermoplastique, les profilés en élastomère (faiblement réticulé) ne fluent pas après extrusion[2].
Concernant la transformation des élastomères, l'extrusion représente 10 % en volume, contre 90 % pour le moulage[3].
Certains élastomères sont thermoplastiques [«élastomères thermoplastiques» (TPE), tels le copolymère séquencé styrène-butadiène (SBS) ], leur mise en œuvre utilise les techniques généralement réservées aux polymères thermoplastiques.
La plupart ont un caractère amorphe ; les élastomères NR, CR et FKM (fluoroélastomère) se distinguent par leur caractère cristallin.
Ils sont le plus fréquemment utilisés à une température supérieure à leur température de transition vitreuse, sur le plateau caoutchouteux.
Leur densité fluctue de 0, 86 (EPDM) à 1, 8 [FVMQ (élastomère fluorosilicone), FKM].
L'échelle de mesure Shore A mesure leur dureté (de 30 à 95). Il existe un autre instrument pour mesurer la dureté Duromètre DIDC (dureté internationale du caoutchouc) (préférée au Shore A).

Formulation

Les élastomères ne sont pas des matériaux prêts à l'emploi, ils doivent être formulés afin surtout de répondre aux exigences d'une application définie. Ils contiennent à peu près 20 à 40 % de polymères, le reste se compose de charges[4], de plastifiant (s), d'un agent vulcanisant (tel le soufre ou un peroxyde organique[5]) pour former les ponts[6], d'accélérateur (s) de vulcanisation (éviter ceux produisant des nitrosamines), d'additifs divers (pour favoriser la mise en œuvre, pour la protection contre le dioxygène, l'ozone, la chaleur, la flamme, les UV, etc. ) et fréquemment de noir de carbone. Ce nanoconstituant est multi-fonctions : utilisé surtout comme pigment, charge de renforcement des propriétés mécaniques des élastomères et stabilisant.

Point de vue mécanique

Propriétés mécaniques dynamiques au voisinage de la Tg d'un adhésif polybutadiène. La vulcanisation sert à stabiliser le module de Young sur une plus grande zone de température.

Ce qui rend les élastomères spéciaux, c'est leur capacité de collisions élastiques, tels le rebondissement et l'étirement élastiques, qui leur sert à reprendre leur forme d'origine après l'arrêt de la sollicitation. Cette caractéristique spéciale est acquise par la présence d'enchevêtrements et de nœuds de réseau (ces liaisons sont respectivement occasionnelles et définitives ; les ponts jouent le rôle de «ressorts»).

Un élastomère supporte de très grandes déformations (jusqu'à à peu près 1 000 %) avant rupture, presque complètement réversibles. Au contraire, un polymère rigide qui serait déformé de 100 % garderait une déformation importante : il est qualifié d'«élasto-plastique».

Cette distinction entre les élastomères et les autres polymères correspond au comportement qu'on observe à température ambiante. En effet, le comportement des polymères dépend de la température, de la vitesse de sollicitation et de la déformation.

Exemples d'application : amortissement des vibrations et des chocs des pneumatiques, des semelles de chaussures de sport, des silentblocs.
Exemples : élastiques, ballons, balles de pelote basque (rebond important).
Exemple : joints d'étanchéité.

Parmi les autres applications, on relève les gants médicaux (habituellement fabriqués en latex), les courroies, les durits, les bandes transporteuses, les tuyaux d'arrosage.

Point de vue microstructural

Un élastomère est constitué de longues chaînes moléculaires rassemblées, au repos, en «pelotes». Ces chaînes sont typiquement reliées entre elles par des enchevêtrements, des nœuds de réticulation ou des liaisons polaires avec des charges minérales ; elles forment un réseau.

Les propriétés mécaniques des élastomères dépendent en premier lieu de la densité pontale (nombre de ponts par unité de volume) et du type de pont (nature et longueur[7]). Plus la densité pontale est élevée (réseau dense) plus l'élastomère est raide. Le dispositif de réticulation (type et taux) fait aussi partie des paramètres importants. L'ébonite, matériau dur et cassant découvert par Charles Goodyear, forme un cas extrême de caoutchouc vulcanisé.

Typologie

Élastomères généraux

Les élastomères d'usage général, insaturés[8] et apolaires (bonne résistivité), comprennent :

Leur température limite d'utilisation continue est inférieure à 80 °C. Ils montrent une faible résistance à l'huile ainsi qu'à l'ozone (ce gaz n'attaque que sous contrainte mécanique, et en surface).
La proportion en masse de NR plus SBR dans un pneumatique est d'environ 80 %.
Les NR, SBR, BR et IR représentent respectivement 40, 37, 10 et 3 % de la production totale d'élastomère.
La consommation mondiale de caoutchouc en 1994 était évaluée à 12, 8 millions de tonnes[10].

Élastomères NR et IR

Le latex de caoutchouc naturel contient des protéines et des vitamines en faible proportion.
Parmi les différents grades de caoutchouc naturel disponibles, ceux de qualité supérieure, de couleur claire (faibles teneurs en impuretés), offrent les meilleures tenues aux vieillissements en température. Ils sont réservés aux petites pièces techniques car ce sont les plus chers (7 €/kg en 2007).
Les élastomères NR et IR possèdent des propriétés d'amortissement et une grande extensibilité (allongement à la rupture (A/R) maximal de 750 %). La résistance à la rupture (R/R) maximale est de 30 MPa. Leur «collant» et leur résistance au déchirement (R/d) sont excellents.
Ils peuvent être utilisés en continu de -50 à 65 °C. Ces élastomères sont ceux qui vieillissent le moins bien ; chauffés au-dessus de 65 °C, ils commencent à vieillir et deviennent poisseux.

Élastomères spéciaux

Balles de NBR (copolymère du butadiène avec l'acrylonitrile) destinées au calandrage, avant formulation
Les canots pneumatiques et les équipements en néoprène résistent à l'eau de mer, aux intempéries ainsi qu'aux moisissures.

Leur température limite d'utilisation continue est inférieure à 150 °C.

Élastomères particulièrement spéciaux

Ils montrent une tenue à la chaleur élevée et/ou une (ou plusieurs) propriété (s) spécifique (s).
Pour ce qui concerne leur structure, la majorité ne possèdent pas de double liaison carbone-carbone (donc absence d'hydrogène labile en position allylique) et ne peuvent être vulcanisés au soufre.
Ils représentent un faible volume (5 % des élastomères) et ce sont les plus chers (prix > 3 €/kg).

Voir aussi

Notes et références

  1. Le polyéthylène, quoique possédant une Tg particulièrement basse, est un polymère thermoplastique (et non un élastomère), car sa structure est particulièrement cristalline. La rigidité augmente avec le taux de cristallinité.
  2. Un affaissement est envisageable à l'extrusion pour certains grades d'élastomères thermoplastiques ou pour des élastomères de basse viscosité.
  3. Le moulage correspond à la phase finale de la fabrication d'un pneumatique.
  4. Le caoutchouc naturel est un des rares utilisé en «pure gomme». Ce terme sert à désigner un mélange de caoutchouc vulcanisé non chargé.
  5. Les élastomères saturés ne sont pas vulcanisables au soufre. Quasiment l'ensemble des élastomères peuvent être vulcanisés au peroxyde organique.
  6. Il s'en forme particulièrement peu : à peu près un pont l'ensemble des 50 motifs de répétition.
  7. Le dispositif de vulcanisation au soufre est l'unique qui puisse faire fluctuer la longueur des ponts [pont monosulfure, disulfure, polysulfure (jusqu'à dix atomes de soufre) ]. Les ponts polysulfure augmentent les propriétés mécaniques, mais diminuent la résistance à la chaleur (l'énergie de la liaison S-S est inférieure à celle de la liaison C-C). Un dispositif de vulcanisation au peroxyde peut être choisi si la température d'utilisation du matériau dépasse 120 °C.
  8. La double liaison carbone-carbone n'est pas affectée lors d'une vulcanisation conventionnelle au soufre.
  9. Les copolymères du butadiène sont économiquement plus importants que l'homopolymère.
  10. Entreprise française de chimie, Caoutchoucs synthétiques, élastomères et résines styréniques, 8e Édition : 2009
  11. Classification selon la norme ASTM D1418
  12. L'énergie de la liaison Si-O est supérieure à celle de la liaison C-C.


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"Fonte aluminium Elastomère"

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 13/12/2010.
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