Polymeres&composites

POLYMERES ET

COMPOSITES

A. Guidoum Matériaux de Construction 2

Plan

1. DEFINITON 2. QUELQUES PEOPRIETES 3. EMPLOI EN CONSTRUCTION 4. ADJUVANTS 5. COMPOSITES A MATRICE

POLYMERIQUE 6. APPLICATIONS DES COMPOSITES

POLYMERES EN GENIE CIVIL 7. DURABILITE


1. DEFINITON Sous le nom générique de polymère ou de matière plastique, on désigne une vaste gamme de matériaux extraits artificiellement de substances organiques et qui présentent la propriété de pouvoir être formé par échauffement. Caractéristiques communes des matières plastiques : • Ils sont appelés plastiques, car, à un certaine étape, ils

sont plastiques 30 à 40% de la production via le Génie Civil Il existe des polymères naturels et de synthèse. Exemples : caoutchoucs matières plastiques bitumes bois cuir paille Etats : massifs expansés fibres textiles feutres liants


Basse densité Détérioration par UV

En faisant varier les liaisons des atomes de carbone, on peut une variété infinie de matière plastique

Sensible à la température

Généralement inertes Mou (bas module d’élasticité)

Facilité de mise en forme et de moulage

Susceptible au feu

Bon isolant thermique Matière première limitée 2. QUELQUES PROPRIETES 2.1. Température de transition vitreuse Pour la plupart des polymères, il existe une température appelé la température de transition vitreuse, Tg, qui marque une frontière entre deux états fondamentaux : • l’état caoutchoutique : mou, liquide visqueux (hautes

températures) • l’état vitreux : dur et cassant (basses températures)


Figure 6 : Variation du volume spécifique en fonction de la température pour

des polymères amorphes, partiellement cristallin et cristallin 2.2 Aspects mécaniques

Figure 7 : Variation du module de cisaillement en fonction de la température

pour un polymère amorphe.


Figure 8 : Variation du module d’élasticité

du polystyrène atactique linéaire et réticulé et du polystyrène isotactique semi-cristallin.

2.3 Paramètres influençant la valeur de Tg Les paramètres les plus importants : • la flexibilité des chaînes • la taille et la polarité des groupes latéraux • la masse moléculaire PE : -80ºC, PS : 100ºC, PP : -20ºC


3. EMPLOI EN CONSTRUCTION PAR TYPE

DE POLYMERE Applications non structurelles : Composants dans l’enveloppe du bâtiment, étanchéité, adhésifs, réparation, finition intérieure 3.1 Thermoplastes • Polyéthylène (PE) polymérisation de l’éthylène par compression de 1000 à 2000 MPa et à une température de 150 à 300°C, utilisé pour la fabrication de feuilles barrière, récipients domestiques, canalisation des eaux usées (HD) fragilisé par UV=>noire de carbone Monomère: C2H4 ou CH2=CH2 ouverture de la double liaison : Polymère: -CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-

• Polytétrafluoroethylène (PTFE: Téflon) -CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-


Forte attraction des chaînes et cristallisation => grande stabilité, peu de friction mécanique, peu inflammable et point de fusion élevé structure hélicoidale => stabilité du cristal, T =350°C, comme ruban dans les joints des tuyaux, mélangé avec fibres de verre, dans des toitures

Millennium dome • Polychlorure de vinyle (PVC) -CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl- Dur, inflammable, résistant à l’attaque des acides et des bases ; se ramollit à 80°C. A T élevée (200°C), le PVC prend une fluidité trop basse pour l’injection ; on lui adjoint des plastifiants ; selon leur quantité, on peut obtenir des produits rigides, semi-rigides, flexibles ou élastiques.


Revêtement de sol en PVC

Fenêtre en PVC

Emplois : tuyauterie d’eau potable et d’eaux usées, gaines de ventilation, les profilés de menuiserie, les stores et les revêtements muraux et des sols.


• Polypropylène (PP) -CH2-CHCH3-CH2-CHCH3-CH2-CHCH3- Dur et insoluble dans n’importe quel solvant organique. Sa résistance mécanique et chimique au-dessus de 100°C permet son usage pour les appareils sanitaires et les conduites d’eau. Ajouté au béton sous forme de fibre, il améliore les propriétés mécaniques.

• Polystyrène (PS)

Se prête facilement au moulage et à l’extrusion, objets domestiques et éléments électriques. Il est aussi utilisé pour les peintures. En réchauffant les granulés de polystyrènes contenant un agent gonflant, on obtient un matériau expansé, utilisé pour les isolations thermiques.


• Résine acrylique S’obtient par la polymérisation des d’esters de l’acide acrylique et de l’acide métacrylique. On obtient d’une part, des résines polyacryliques pour la fabrication d’isolants et de colle et d’autre part, les résines polymétacryliques, commercialisé sous le nom plexiglas. Ce produit a une bonne résistance chimique et mécanique ; il est transparent et se laisse facilement travailler ; il remplace souvent le verre, car il est plus léger et incassable. Egalement utilisé dans les peintures, comme liant dans le béton de polymère, réparation des fissures. Inflammable !


3.2 Thermodurcissables Résines : Phénol (PF) production industrielle : bakélite. Fabrication des laminés comme Formica. Adhésives résistants à l’eau (utilisation industrielle car très acide) Mélamine (MF); inflammables, résistants aux solvants, peuvent être colorés et émaillés ; fabrication des stratifiés. Polyester (UP) pour les peintures ou sous forme textile pour la fabrication des panneaux, souvent renforcé avec des fibres de verre. Citerne d’eau froide, piscine préfabriquée, …


Epoxyde (EP) : très bonne résistance aux agents chimiques et à l’usure ; sont utilisés pour les revêtements de sol sans joints. Colles de qualité (araldite), très bonne capacité d’adhérence à l’acier et au bois. Béton de résine. Composite. Coût élevé mais très bonnes performances. 3.3 Elastomères Grande capacité de déformation (>100%), faible E Utilisés comme produit d’étanchéité et appui déformable

• caoutchouc naturel, NR Appuis pour les ponts, diminution de la vibration dans les bâtiments


• caoutchouc silicone Pour étanchéité bonne adhésion, bonne propriétés élastiques, bonne durabilité, hydrophobe

JOINT D’EXTENSION EN SILICONE POUR UN POINT (TIGE D’APPUIS) EN MOUSSE DE POLYETYLENE


4. ADJUVANTS Malgré la grande variété des polymères, pour satisfaire les exigences de l’utilisation plusieurs additifs peuvent entrer dans la composition d’un polymère entraînant des variations importantes de leurs propriétés :

1. Plastifiants : molécules à bas poids moléculaire, diminuent la force de liaison entre les chaînes, améliorent la souplesse d’un polymère rigide.

2. Lubrifiants : facilitent les qualités de frottement . Ex. : poudre de téflon et talc

3. Stabilisants : ralentissent la dégradation des polymère pendant la mise en œuvre ou l’utilisation en améliorant la résistance aux effets de chaleur, radiation et oxydation

4. Ignifugeants : lors de combustion les polymères libèrent des gazes toxiques, les ignifugeants rendent plus difficile l’amorçage ou la propagation de la combustion

5. Fillers : ajout de 5 à 60 % de filler permet de renforcer les propriétés mécaniques telles que la dureté, la résistance et la résistance à l’abrasion, diminuent le prix. Ex. noire de carbone ou


carbonate de calcium

6. Renforts: pour des applications structurelles 5. EMPLOI EN CONSTRUCTION PAR

DOMAINE Béton avec des polymères : • béton imprégné de polymère • béton de polymère • béton de ciment et de polymère

• PVC, PMMA, polyester, etc. Revêtements de sol : • PVC, résistance à l’usure et aux agents chimiques • résines Appuis déformables :

Supports élastomères PTFE, caoutchoucs


Tuyaux, gaines : PVC, PP, PB, fabriqués par extrusion Adhésives et produits d’étanchéités :

étanchéités bonne adhérence au support, grande déformabilité, bas module d’élasticité, bonne résistance au vieillissement. joints : PU, silicones, polyacriliques

Joint d’étanchéité à base de PU colles et adhésifs


mouiller les surfaces collées, être chimiquement compatible avec les surfaces être résistant dans le milieu ambiant (ex. résine époxy, polyuréthannes, polyester, etc.)

Mousses : • mousses rigides et semi-rigides comme âme de

panneaux sandwich (aluminium + PS ou plâtres aux fibres + PS) pour paroi de séparation légère

• isolants thermiques : volume de l'air immobile dans les bulles avec λ = 0.024 W/mΚ, λ de 0.030 à 0.050 W/mK

expansion d’un gaz dans un polymère à l’état fluide ou visqueux : addition d’un agent moussant ou gaz produit lors d’une réaction (ex. polymérisation de polyuréthanne par l’eau produit du CO2) • polystyrène • polyuréthannes • phénoliques • PVC rigide Fibres : renforcement (polyéthylène, polyamides), Kevelar Géotextiles :


Matelas en matière plastique souvent renforcé par un tissu. Les géotextiles sont utilisés pour empêcher la pénétration d’eau dans le sol (stockage des déchets) ou dans une structure (isolation des toits ou des ponts). Une autre application concerne la stabilisation du terrain.


5. COMPOSITES A MATRICE POLYMERIQUE

Composites sont dotés des propriétés physiques et mécaniques que ne possède pas chacun des constituants pris séparément. - grande rigidité dans une direction - très haute résistance - rapport résistance/poids élevé Principalement deux catégories : • matériaux composites à base de fibres • matériaux stratifiés


5.1 Composites à base de fibres Constitués d’une matrice continue renforcée par des fibres. 5.1.1 Matrice

matrices thermodurcies ; résine époxyde, polyester insaturé matrices thermoplastiques ; résistance thermique si semi-cristallin, permettent le thermoformage au départ de

5.1.2 Fibres fibres de carbone fibres de verre fibres de kevlar

composites fibreux unidirectionnelles propriétés mécaniques analogues aux aciers avec une densité de 1 à 2 contre 7.8 (sollicitation parallèle aux fibres).

Fibre Densité g/cm3

E GPa

Rm GPa

verre kevlar carbone Hm carbone

2.50 1.45 1.95 1.75

86 130 400 250

4.4 2.7 2.2 2.7


Longueur des fibres

Déformation de la matrice autour d’une fibre soumise à une contrainte de traction (Callister) Longueur critique

!

lc =" f d

2# c

lc : longueur critique de la fibre d : diamètre de la fibre σf : résistance à la rupture de la fibre τc :la plus petite grandeur entre la résistance de la liaison fibre-matrice ou la limite d’élasticité en cisaillement de la matrice

Répartition du transfert de charge lors de la traction

l > lc

l = lc

l < lc

σ


Orientation des fibres


5.2 Stratifiés • Plaques et coques stratifiées

dans une plaque sollicitée en flexion, les couches externes sont les plus sollicitées. Minimum trois couches (2 peaux, 1 âme). peaux : matériau rigide avec résistance à la flexion élevée (composite ou non). âme : matériau léger, faible rigidité, faible résistance. Différence de rigidité, contrainte de cisaillement à l’interface, risque de délamination. Ex. : panneaux Al-bois de balsa dans aéronautique, ski, bois lamellé-collé. • structures sandwiches

rigidité, résistance mécanique élevée et légèreté Ex. : toit, plancher, mur, queue d’avion


6. APPLICATIONS DES COMPOSITES POLYMERES EN GENIE CIVIL Composites polymères renforcés de fibres ont un grand potentiel pour être intégrés dans le génie civil • longue durée de vie • léger • facile à construire • bon rapport résistance /poids • fonctionnent dans des conditions agressives pour

d’autres matériaux • résistance élevée à la fatigue et à la corrosion Domaines d’application :

Réparation de pont, renforcement structural bandes de polymères renforcés de fibres de carbone (PRC) pour le renforcement des ouvrages de construction.


Broadway Bridge (1913 mais rénové)

dalle du tablier est réalisée en panneaux de composites renforcés de fibres.


Panneaux de composite renforcés de fibres

Utilisations structurales Ponts haubanés (câbles et dalle)


Stork Bridge à Winterthur Utilisation comme Plateforme des ponts au lieu de béton armé généralement fibres de verre + résine de polyester grande facilité et rapidité de mise en place.

résine renforcée de fibre de verre


Coquille en fibre de carbone remplie de béton utilisé comme élément structural

et comme coffrage qui reste en place

Poutre pour la construction de pont à base de polymère recyclé : PE HD et PS Ces nouvelles technologies recèlent toutefois aussi des risques. Du fait de leur faible masse, les ponts réalisés à l’aide de composites armés de fibres sont sujets aux vibrations.


Dans la construction, éléments de toit translucides, dôme de radar, silos et réservoirs (bonne résistance aux produits chimiques), conduites. 7.DEGRADATION Les facteurs qui influencent la durabilité des polymères : • environnement chimique (oxygène de l’atmosphère,

fumée et pluie acides, humidité) • chaleur et chocs thermiques • rayonnements ultraviolets • radiations de haute énergie structures polycarbonées sont instables à température élevée. la résistance des polymères à la dégradation dépendent de la composition et de la suprastructure. formation des radicaux libres par apport d’énergie et/ou de molécules réactives : ∆

C—C C • + C •


diminution de la masse moléculaire détérioration des propriétés mécaniques. Phénomène accéléré par la présence d’oxygène. Stabilisation On peut utiliser des stabilisants (antioxydants, stabilisants UV) qui permettent d’inhiber la formation des radicaux libres soit de les détruire et augmenter ainsi leur longévité.

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