Les bases de la fabrication du plastique
Le terme «plastique» comprend des matériaux composés de divers éléments tels que le carbone, l'hydrogène, l'oxygène, l'azote, le chlore et le soufre. Les plastiques ont généralement un poids moléculaire élevé, ce qui signifie que chaque molécule peut avoir des milliers d'atomes liés entre eux. Les matériaux naturels, tels que le bois, la corne et la colophane, sont également composés de molécules de poids moléculaire élevé. Les plastiques fabriqués ou synthétiques sont souvent conçus pour imiter les propriétés des matériaux naturels. Les plastiques, également appelés polymères comme le polyéthylène, sont produits par transformation de produits naturels ou par synthèse à partir de produits chimiques primaires généralement issus du pétrole, du gaz naturel ou du charbon.
La plupart des plastiques sont basés sur l'atome de carbone. Les silicones, qui sont basées sur l'atome de silicium, sont une exception. L'atome de carbone peut se lier à d'autres atomes avec jusqu'à quatre liaisons chimiques. Lorsque toutes les liaisons sont à d'autres atomes de carbone, des diamants ou du graphite ou de la suie noire de carbone peuvent en résulter. Pour les plastiques, les atomes de carbone sont également liés à l'hydrogène, à l'oxygène, à l'azote, au chlore ou au soufre susmentionnés. Lorsque les connexions des atomes aboutissent à de longues chaînes, comme des perles sur un collier de perles, le polymère est appelé thermoplastique. Les thermoplastiques se caractérisent par leur fusion. Les thermoplastiques ont tous des unités répétitives, la plus petite section de la chaîne qui est identique. Nous appelons ces cellules unitaires d'unités de répétition. La grande majorité des plastiques, environ 92%, sont des thermoplastiques 1 .
Les groupes d'atomes qui sont utilisés pour fabriquer des cellules unitaires sont appelés monomères. Pour certains plastiques, tels que le polyéthylène, l'unité de répétition peut être juste un atome de carbone et deux atomes d'hydrogène. Pour d'autres plastiques, tels que les nylons, l'unité de répétition peut impliquer 38 atomes ou plus. Lorsque nous combinons des monomères, nous générons des polymères ou des plastiques. Les matières premières forment des monomères qui peuvent être ou sont utilisés pour former des cellules unitaires. Les monomères sont utilisés sous forme de polymères ou de plastiques
Lorsque la connexion des atomes de carbone forme des réseaux bidimensionnels et tridimensionnels au lieu de chaînes unidimensionnelles, le polymère sera un plastique thermodurci. Les plastiques thermodurcissables se caractérisent par le fait qu'ils ne sont pas fusibles. Les plastiques thermodurcissables, tels que les adhésifs époxy ou les coques et baignoires de bateaux en polyester insaturé ou les adhésifs phénoliques utilisés pour fabriquer du contreplaqué, sont créés par l'utilisateur mélangeant deux produits chimiques et utilisant immédiatement le mélange avant que le plastique ne se «fixe» ou ne durcisse.
La formation des unités de répétition pour les thermoplastiques commence généralement par la formation de petites molécules à base de carbone qui peuvent être combinées pour former des monomères. Les monomères, à leur tour, sont réunis par des mécanismes de polymérisation chimique pour former des polymères. La formation de matière première peut commencer par séparer les produits chimiques d'hydrocarbures du gaz naturel, du pétrole ou du charbon en courants purs de produits chimiques. Certains sont ensuite traités dans un «processus de craquage». Ici, en présence d'un catalyseur, les molécules de matières premières sont converties en monomères tels que l'éthylène (éthène) C2H4, le propylène (propène) C3H6 et le butène C4H8 et autres. Tous ces monomères contiennent des doubles liaisons entre les atomes de carbone de telle sorte que les atomes de carbone peuvent ensuite réagir pour former des polymères.
D'autres matières premières chimiques sont isolées du pétrole, comme le benzène et les xylènes. Ces produits chimiques réagissent avec d'autres pour former les monomères du polystyrène, des nylons et des polyesters. Les matières premières ont été transformées en monomères et ne contiennent plus les fractions pétrolières. D'autres matières premières encore peuvent être obtenues à partir de ressources renouvelables, telles que la cellulose du bois pour fabriquer du butyrate de cellulose. Pour que l'étape de polymérisation fonctionne efficacement, les monomères doivent être très purs. Tous les fabricants purifient les matières premières et les monomères, capturant les matières premières inutilisées pour les réutiliser et les sous-produits pour une élimination appropriée.
Les monomères sont ensuite chimiquement liés en chaînes appelées polymères. Il existe deux mécanismes de base pour la polymérisation: les réactions d'addition et les réactions de condensation. Pour les réactions d'addition, un catalyseur spécial est ajouté, souvent un peroxyde, qui amène un monomère à se lier au suivant et celui au suivant et ainsi de suite. Les catalyseurs ne provoquent pas de réactions, mais provoquent des réactions plus rapides. La polymérisation par addition, utilisée pour le polyéthylène et le polystyrène et le chlorure de polyvinyle, entre autres, ne crée aucun sous-produit. Les réactions peuvent se faire en phase gazeuse dispersée dans des liquides. Le second mécanisme de polymérisation, la polymérisation par condensation, utilise des catalyseurs pour faire réagir tous les monomères avec tout monomère adjacent. La réaction conduit à deux monomères formant des dimères (deux cellules unitaires) plus un sous-produit. Les dimères peuvent se combiner pour former des tétramères (quatre cellules unitaires) et ainsi de suite. Pour la polymérisation par condensation, les sous-produits doivent être éliminés pour que la réaction chimique produise des produits utiles. Certains sous-produits sont l'eau, qui est traitée et éliminée. D'autres sous-produits sont des matières premières et sont recyclés pour être réutilisés dans le processus. L'élimination des sous-produits est effectuée afin que les matières premières recyclées de valeur ne soient pas perdues dans l'environnement ou exposées aux populations. Les réactions de condensation sont généralement effectuées dans une masse de polymère fondu. Les polyesters et les nylons sont fabriqués par polymérisation par condensation. D'autres sous-produits sont des matières premières et sont recyclés pour être réutilisés dans le processus. L'élimination des sous-produits est effectuée afin que les matières premières recyclées de valeur ne soient pas perdues dans l'environnement ou exposées aux populations. Les réactions de condensation sont généralement effectuées dans une masse de polymère fondu. Les polyesters et les nylons sont fabriqués par polymérisation par condensation. D'autres sous-produits sont des matières premières et sont recyclés pour être réutilisés dans le processus. L'élimination des sous-produits est effectuée afin que les matières premières recyclées de valeur ne soient pas perdues dans l'environnement ou exposées aux populations. Les réactions de condensation sont généralement effectuées dans une masse de polymère fondu. Les polyesters et les nylons sont fabriqués par polymérisation par condensation.
Différentes combinaisons de monomères peuvent donner des résines plastiques avec des propriétés et des caractéristiques différentes. Lorsque tous les monomères sont identiques, le polymère est appelé homopolymère. Lorsque plus d'un monomère est utilisé, le polymère est appelé un copolymère. Les pots à lait en plastique sont un exemple de PEHD homopolymère. Le lait est conditionné de manière satisfaisante dans l'homopolymère HDPE moins cher. Les bouteilles de détergent à lessive sont un exemple de copolymère HDPE. La nature agressive du détergent fait d'un copolymère le bon choix pour la meilleure fonction de service. Chaque monomère donne une résine plastique aux propriétés et caractéristiques spécifiques. Les combinaisons de monomères produisent des copolymères avec d'autres variations de propriétés. Ainsi, dans chaque type de polymère, comme les nylons, les polyesters, les polyéthylènes, etc., les fabricants peuvent fabriquer sur mesure des plastiques qui ont des caractéristiques spécifiques. Les polyéthylènes peuvent être rendus rigides ou flexibles. Les polyesters peuvent être des adhésifs de fusion à basse température ou des pièces automobiles résistantes aux hautes températures. Les polymères thermoplastiques résultants peuvent être fondus pour former de nombreux types différents de produits en plastique avec une application dans de nombreux grands marchés.La variabilité du plastique soit au sein des types de familles de plastiques soit entre les types de familles permet à un plastique d'être adapté à une conception et à des exigences de performance spécifiques. C'est pourquoi certains plastiques sont les mieux adaptés à certaines applications tandis que d'autres conviennent mieux à des applications entièrement différentes. Aucun plastique n'est le meilleur pour tous les besoins. Les polymères thermoplastiques résultants peuvent être fondus pour former de nombreux types différents de produits en plastique avec une application dans de nombreux grands marchés.La variabilité du plastique soit au sein des types de familles de plastiques soit entre les types de familles permet à un plastique d'être adapté à une conception et à des exigences de performance spécifiques. C'est pourquoi certains plastiques sont les mieux adaptés à certaines applications tandis que d'autres conviennent mieux à des applications entièrement différentes. Aucun plastique n'est le meilleur pour tous les besoins. Les polymères thermoplastiques résultants peuvent être fondus pour former de nombreux types différents de produits en plastique avec une application dans de nombreux grands marchés.La variabilité du plastique soit au sein des types de familles de plastiques soit entre les types de familles permet à un plastique d'être adapté à une conception et à des exigences de performance spécifiques. C'est pourquoi certains plastiques sont les mieux adaptés à certaines applications tandis que d'autres conviennent mieux à des applications entièrement différentes. Aucun plastique n'est le meilleur pour tous les besoins.
Voici quelques exemples de propriétés des matériaux dans les applications de produits en plastique:
- Emballage rempli à chaud utilisé pour des produits tels que le ketchup
- Emballage résistant aux produits chimiques utilisé pour des produits tels que l'eau de Javel
- Résistance aux chocs des pare-chocs de voiture
La structure des polymères
Comme nous l'avons vu, les polymères peuvent être des homopolymères ou des copolymères. Si les longues chaînes montrent un lien continu d'atomes de carbone à carbone, la structure est dite homogène. La longue chaîne s'appelle l'épine dorsale. Le polypropylène, le polybutylène, le polystyrène et le polyméthylpentène sont des exemples de polymères à structure carbonée homogène dans le squelette. Si les chaînes d'atomes de carbone sont interrompues par intermittence par l'oxygène ou l'azote, la structure est dite hétérogène. Les polyesters, les nylons et les polycarbonates sont des exemples de polymères à structure hétérogène. Les polymères hétérogènes en tant que classe ont tendance à être moins durables chimiquement que les polymères homogènes, bien que les exemples du contraire soient nombreux.
Différents éléments peuvent être attachés au squelette carbone-carbone. Le polychlorure de vinyle (PVC) contient des atomes de chlore attachés. Le téflon contient des atomes de fluor attachés.
La façon dont les liens dans les thermoplastiques sont disposés peut également modifier la structure et les propriétés des plastiques. Certains plastiques sont assemblés à partir de monomères de sorte qu'il y ait un hasard intentionnel dans l'apparition d'éléments attachés et de groupes chimiques. D'autres ont les groupes attachés se produisent dans un ordre très prévisible. Les plastiques, si la structure le permet, formeront des cristaux. Certains plastiques forment facilement et rapidement des cristaux, comme le PEHD - polyéthylène haute densité. Le PEHD peut apparaître flou à cause des cristaux et présente une rigidité et une résistance. D'autres plastiques sont construits de telle sorte qu'ils ne peuvent pas s'emboîter pour former des cristaux, comme le polyéthylène basse densité, le LDPE. Un plastique amorphe est généralement d'aspect transparent. En ajustant la disposition spatiale des atomes sur les chaînes fédérales, le fabricant de plastiques peut modifier les propriétés de performance du plastique.
La structure chimique du squelette, l'utilisation de copolymères et la liaison chimique de différents éléments et composés à un squelette, et l'utilisation de la cristallisabilité peuvent modifier les propriétés de traitement, esthétiques et de performance des plastiques. Les plastiques peuvent également être modifiés par l'inclusion d'additifs.
Additifs
Lorsque les plastiques émergent des réacteurs, ils peuvent avoir les propriétés souhaitées pour un produit commercial ou non. L'inclusion d'additifs peut conférer aux plastiques des propriétés spécifiques. Certains polymères incorporent un additif lors de la fabrication. D'autres polymères incluent des additifs lors du traitement dans leurs pièces finies. Des additifs sont incorporés aux polymères pour modifier et améliorer les propriétés mécaniques, physiques ou chimiques de base. Des additifs sont également utilisés pour protéger le polymère des effets dégradants de la lumière, de la chaleur ou des bactéries; pour changer de telles propriétés de traitement de polymère telles que la fluidité à chaud; pour fournir la couleur du produit; et pour fournir des caractéristiques spéciales telles qu'une apparence de surface améliorée, un frottement réduit et une résistance au feu.
Types d'additifs:
- Antioxydants: pour le traitement du plastique et les applications à l'extérieur où la résistance aux intempéries est nécessaire
- Colorants: pour pièces plastiques colorées
- Agents moussants: pour gobelets et panneaux de construction en polystyrène expansé et pour sous-couche de tapis en polyuréthane
- Plastifiants: utilisés dans l'isolation des fils, les revêtements de sol, les gouttières et certains films
- Lubrifiants: utilisés pour fabriquer des fibres
- Anti-statistiques: pour réduire la collecte de poussière par attraction d'électricité statique
- Antimicrobiens: utilisés pour les rideaux de douche et les revêtements muraux
- Ignifuges: pour améliorer la sécurité des revêtements de fils et de câbles et du marbre de culture
Les deux types de plastique, basés sur le traitement
Un thermodurcissable est un polymère qui se solidifie ou « durcit » de manière irréversible lorsqu'il est chauffé ou durci. Semblable à la relation entre un œuf cru et un œuf cuit, un œuf cuit ne peut pas revenir à sa forme d'origine une fois chauffé, et un polymère thermodurci ne peut pas être ramolli une fois «pris». Les thermodurcissables sont appréciés pour leur durabilité et leur résistance et sont largement utilisés dans les automobiles et la construction, y compris des applications telles que les adhésifs, les encres et les revêtements. Le thermodurci le plus courant est le pneu en caoutchouc pour camion et automobile. Quelques exemples de plastiques thermodurcis et de leurs applications de produits sont :
Polyuréthanes :
• Matelas
• Coussins
• Isolation
Polyesters non saturés :
• Coques de bateaux
• Baignoires et cabines de douche
• Meubles
Epoxies :
• Colles adhésives
• Revêtement pour appareils électriques
• Pales d'hélicoptère et de moteur à réaction
Phénol Formaldéhyde :
• Panneau de copeaux orientés
• Contreplaqué
• Appareils
électriques • Cartes de circuits et interrupteurs électriques
Un thermoplastiqueest un polymère dans lequel les molécules sont maintenues ensemble par de faibles forces de liaison secondaires qui se ramollissent lorsqu'elles sont exposées à la chaleur et reviennent à leur état d'origine lorsqu'elles sont refroidies à température ambiante. Lorsqu'un thermoplastique est ramolli par la chaleur, il peut alors être mis en forme par extrusion, moulage ou pressage. Les glaçons sont des articles ménagers courants qui illustrent le principe thermoplastique. La glace fond lorsqu'elle est chauffée mais se solidifie facilement lorsqu'elle est refroidie. Comme un polymère, ce processus peut être répété de nombreuses fois. Les thermoplastiques offrent une polyvalence et une large gamme d'applications. Ils sont couramment utilisés dans les emballages alimentaires car ils peuvent être rapidement et économiquement façonnés sous n'importe quelle forme nécessaire pour remplir la fonction d'emballage. Les exemples incluent les cruches à lait et les bouteilles de boissons gazeuses gazeuses. D'autres exemples de thermoplastiques sont :
Polyéthylène :
• Emballage
• Isolation électrique
• Bouteilles de lait et d'eau
• Film d'emballage • Emballage
maison
• Film agricole
Polypropylène :
• Fibres de tapis
• Pare-chocs automobiles
• Conteneurs micro-ondes
• Prothèses externes
Chlorure de polyvinyle (PVC) :
• Gaine pour câbles électriques
• Revêtements de sol et de mur
• Revêtement
• Tableaux de bord automobiles
Méthodes de traitement thermoplastique et thermodurcissable
Il existe une variété de méthodes de traitement différentes utilisées pour convertir les polymères en produits finis. Certains incluent :
Extrusion- Ce processus continu est utilisé pour produire des films, des feuilles, des profilés, des tubes et des tuyaux. La matière plastique sous forme de granulés, de pastilles ou de poudre est d'abord chargée dans une trémie puis introduite dans une longue chambre chauffée à travers laquelle elle est déplacée par l'action d'une vis tournant en continu. La chambre est un cylindre et est appelée extrudeuse. Les extrudeuses peuvent avoir une ou deux vis tournantes. Le plastique est fondu par le travail mécanique de la vis et la chaleur de la paroi de l'extrudeuse. À la fin de la chambre chauffée, le plastique fondu est expulsé par une petite ouverture appelée matrice pour former la forme du produit fini. Au fur et à mesure que le plastique est extrudé de la filière, il est amené sur une bande transporteuse pour le refroidissement ou sur des rouleaux pour le refroidissement ou par immersion dans l'eau pour le refroidissement. Le principe de fonctionnement est le même que celui d'un hachoir à viande mais avec des éléments chauffants supplémentaires dans la paroi de l'extrudeuse et un refroidissement du produit. Des exemples de produits extrudés comprennent les bordures de pelouse, les tuyaux, les films, le papier enduit, l'isolation des fils électriques, les gouttières et les becs vers le bas, le bois en plastique et les garnitures de fenêtres. Les thermoplastiques sont traités par extrusion continue. L'élastomère thermodurci peut être extrudé dans un coupe-froid en ajoutant des catalyseurs au matériau en caoutchouc lorsqu'il est introduit dans l'extrudeuse.
Calandrage - Ce processus continu est une extension de l'extrusion de film. L'extrudat encore chaud est refroidi sur des rouleaux polis et froids pour créer une feuille de 0,005 pouce d'épaisseur à 0,500 pouce d'épaisseur. L'épaisseur est bien maintenue et la surface rendue lisse par les rouleaux polis. Le calandrage est utilisé pour un rendement élevé et la capacité de gérer une faible résistance à la fusion. Les films de polyéthylène lourds utilisés pour la construction des barrières de vapeur et de liquide sont calandrés. Les films PVC à grand volume sont généralement fabriqués à l'aide de calendriers.
Soufflage de film - Ce processus extrude en continu verticalement un anneau de polymère semi-fondu dans une direction ascendante, comme une fontaine. Une bulle d'air est maintenue qui étire le plastique axialement et radialement dans un tube plusieurs fois le diamètre de l'anneau. Le diamètre du tube dépend du plastique traité et des conditions de traitement. Le tube est refroidi par air et est pincé et enroulé en continu comme un tube aplati. Le tube peut être traité pour former des sacs vendables ou fendu pour former des rouleaux de film avec des épaisseurs de 0,0003 à 0,005 pouces d'épaisseur. Plusieurs couches de différentes résines peuvent être utilisées pour fabriquer le tube.
Moulage par injection- Ce processus peut produire des pièces tridimensionnelles complexes de haute qualité et d'une grande reproductibilité. Il est principalement utilisé pour les thermoplastiques, mais certains thermodurcissables et élastomères sont également traités par moulage par injection. Dans le moulage par injection, la matière plastique est introduite dans une trémie, qui alimente une extrudeuse. Une vis d'extrudeuse pousse le plastique à travers la chambre de chauffage dans laquelle le matériau est ensuite fondu. A l'extrémité de l'extrudeuse, le plastique fondu est forcé à haute pression dans un moule froid fermé. La haute pression est nécessaire pour être sûr que le moule est complètement rempli. Une fois le plastique refroidi en un solide, le moule s'ouvre et le produit fini est éjecté. Ce processus est utilisé pour fabriquer des articles tels que des bacs à beurre, des contenants de yogourt, des bouchons de bouteilles, des jouets, des accessoires et des chaises de jardin. Des catalyseurs spéciaux peuvent être ajoutés pour créer les produits en plastique thermodurcissables pendant le traitement, tels que des pièces en caoutchouc de silicone durcies. Le moulage par injection est un processus discontinu car les pièces sont formées dans des moules et doivent être refroidies ou durcies avant d'être retirées. L'économie est déterminée par le nombre de pièces qui peuvent être fabriquées par cycle et par la durée des cycles.
Soufflage- Le moulage par soufflage est un processus utilisé en conjonction avec l'extrusion ou le moulage par injection. Dans une forme, le moulage par extrusion-soufflage, la filière forme un tube semi-fondu continu de matière thermoplastique. Un moule refroidi est serré autour du tube et de l'air comprimé est ensuite soufflé dans le tube pour conformer le tube à l'intérieur du moule et solidifier le tube étiré. Dans l'ensemble, l'objectif est de produire une masse fondue uniforme, de la former dans un tube avec la section transversale souhaitée et de la souffler dans la forme exacte du produit. Ce procédé est utilisé pour fabriquer des produits en plastique creux et son principal avantage est sa capacité à produire des formes creuses sans avoir à assembler deux ou plusieurs pièces moulées par injection séparément. Cette méthode est utilisée pour fabriquer des articles tels que des fûts commerciaux et des bouteilles de lait. Une autre technique de moulage par soufflage consiste à mouler par injection une forme intermédiaire appelée préforme, puis à chauffer la préforme et à souffler le plastique ramolli à chaud dans la forme finale dans un moule refroidi. C'est le processus de fabrication de bouteilles de boissons gazeuses.
Soufflage de perles expansées - Ce processus commence par un volume mesuré de perles de plastique placé dans un moule. Les billes contiennent un agent gonflant ou un gaz, généralement du pentane, dissous dans le plastique. Le moule fermé est chauffé pour ramollir le plastique et le gaz se dilate ou l'agent gonflant génère du gaz. Le résultat est une structure à cellules fermées fusionnées de plastique expansé qui se conforme à une forme, telle que des gobelets en polystyrène expansé. Le panneau d'isolation thermique en polystyrène expansé est fabriqué dans un processus d'extrusion continu utilisant le soufflage de billes expansées.
Moulage par rotation - Le moulage par rotation consiste en un moule monté sur une machine capable de tourner sur deux axes simultanément. Une résine solide ou liquide est placée dans le moule et de la chaleur est appliquée. La rotation distribue le plastique en un revêtement uniforme à l'intérieur du moule, puis le moule est refroidi jusqu'à ce que la partie en plastique refroidisse et durcisse. Ce processus est utilisé pour réaliser des configurations creuses. Les produits couramment moulés par rotation comprennent les fûts d'expédition, les réservoirs de stockage et certains meubles et jouets de consommation.
Moulage par compression - Ce processus a un volume préparé de plastique placé dans une cavité de moule, puis un deuxième moule ou bouchon est appliqué pour presser le plastique dans la forme souhaitée. Le plastique peut être un thermodurcissable semi-durci, tel qu'un pneu d'automobile, ou un thermoplastique ou un mat de résine thermodurcissable et de longues fibres de verre, comme pour une coque de bateau. Le moulage par compression peut être automatisé ou exiger un travail manuel considérable. Le moulage par transfert est un raffinement du moulage par compression. Le moulage par transfert est utilisé pour encapsuler des pièces, par exemple pour la fabrication de semi-conducteurs
La formation de contreplaqué ou de panneaux à copeaux orientés à l'aide d'adhésifs thermodurcissables est une variante du moulage par compression. Le placage ou les brins de bois sont revêtus d'une résine phénol-formaldéhyde thermodurcie catalysée et comprimés et chauffés pour amener le plastique thermodurci à se transformer en un adhésif rigide non fondant.
Coulée - Ce processus consiste en l'ajout à basse pression, souvent juste du versement, de résines liquides dans un moule. Les plastiques thermodurcis catalysés peuvent être façonnés en formes complexes par moulage. Le thermoplastique de polyméthacrylate de méthyle fondu peut être coulé en dalles pour former des fenêtres pour les aquariums commerciaux. Le moulage peut faire une feuille épaisse, de 0,500 pouces à plusieurs pouces d'épaisseur.
Thermoformage - Des films de thermoplastique sont chauffés pour ramollir le film, puis le film mou est tiré par le vide ou poussé par pression pour se conformer à un moule ou pressé avec un bouchon dans un moule. Les pièces sont thermoformées soit à partir de morceaux coupés pour des feuilles épaisses, de plus de 0,100 pouces, soit à partir de rouleaux de feuilles minces. Les pièces finies sont découpées dans la feuille et le matériau de la feuille de rebut est recyclé pour la fabrication d'une nouvelle feuille. Le processus peut être automatisé pour la production à grand volume de récipients alimentaires à clapet ou peut être un simple processus de travail manuel pour fabriquer des objets artisanaux individuels.