Les élastomères
1. Définition
Les élastomères, comme les matières plastiques, font partie de la famille des polymères. Le terme "élastomère" est utilisé aujourd'hui pour désigner d'une façon générale tous les caoutchoucs c'est à-dire les substances macromoléculaires, naturelles ou synthétiques, possédant l'élasticité caoutchoutique.
Le terme "caoutchouc" vient du mot indien cahutchu ("bois qui pleure") et rappelle ainsi l'origine du caoutchouc naturel, précurseur des élastomères d'aujourd'hui. Bien que faisant partie d'une seule et même grande famille, celle des polymères, les élastomères ont un comportement très particulier et très différent des matières plastiques ou plastomères.
Pour qu'un matériau soit mécaniquement reconnu comme un caoutchouc, il doit être :
- souple, c'est-à-dire de faible rigidité (quelques méga pascals) ;
- hautement déformable, c'est-à-dire capable de supporter de très grandes déformations sans se rompre ou d'atteindre des allongements "rupture" de plus de 100%, tout en possédant, à son allongement maximal, une résistance à la rupture relativement élevée ;
- élastique ou résilient, c'est-à-dire capable de retrouver sa géométrie initiale, après cessation d'une sollicitation, tout en restituant quantitativement au milieu l'énergie qui lui a été fournie pour le déformer.
Le comportement d'un élastomère par rapport à un plastomère (non cristallin) est défini par sa
température de transition vitreuse Tv.
En règle générale :
– si Tv est supérieure à la température ambiante, nous avons affaire à un plastomère ;
– si Tv est inférieure à la température ambiante, le produit est un élastomère.
2. Formuler est une nécessité.
Contrairement à un plastomère, un élastomère brut, même vulcanisé, ne possède pas de propriétés suffisantes pour des utilisations industrielles.Ces faibles propriétés à l'état brut ainsi que l'obligation de vulcaniser pour assurer sa cohésion, nécessitent l'incorporation aux élastomères d'un certain nombre d'additifs ayant un rôle bien défini. C'est ce que l'on appelle la formulation. Celle-ci, malgré un certain empirisme, relève de beaucoup de savoir faire pour maîtriser au mieux l'ajustement de certaines propriétés, parfois antagonistes, que réclament certaines applications.
Une formulation type est constituée de 4 parties :
– Le ou les élastomères. Leurs propriétés spécifiques, et en particulier leurs propriétés chimiques, devront correspondre aux nécessités de l'application. Un mélange d'élastomères pourra être utilisé si nécessaire.
– Les charges et les plastifiants sont surtout utilisés pour donner des propriétés aux caoutchoucs, ils peuvent aussi améliorer la mise en oeuvre et diminuer le prix de revient du mélange.
– Les agents de protection. Ils sont destinés à protéger l'élastomère, dont les chaînes macromoléculaires sont plus ou moins sensibles, contre l'oxygène et l'ozone principalement. Ces produits sont généralement des dérivés aminés ou phénoliques.
– Un système de vulcanisation. Il permet la formation d'un réseau tridimensionnel stable sans lequel l'utilisation d'un élastomère serait impossible.
Les élastomères vulcanisés ou thermoplastiques se retrouvent, dans la plupart des cas d'usages, à l'interface entre des éléments ou entre un élément et son environnement. Les fonctions correspondantes sont, à titre d'exemple, l'étanchéité, l'isolation vibratoire, l'accouplement élastique, le calage, la protection contre l'abrasion. La diversité des domaines concernés ainsi que les applications correspondantes ont nécessité le développement d'une très large famille d'élastomères adaptés à chaque cas d'usage. Aussi, pour le concepteur d'un produit, devient-il problématique de traduire une fonction de service en cahier des charges permettant au transformateur de fournir un article répondant parfaitement au besoin. Deux démarches sont possibles. La première consiste à créer sur un plan l'article et de lui assigner un ensemble exhaustif de spécifications puis d'en faire assurer la fabrication. La seconde démarche est de donner les contraintes liées à la fonction de l’article et à confier sa définition à un spécialiste. Cette dernière méthode entre dans le cadre d'une démarche de développement par ingénierie simultanée et permet la réalisation d'une fonction selon un coût objectif.
Ce guide s'adresse aux bureaux d'études ou aux acheteurs. Son but est de donner une connaissance générale sur les caoutchoucs pour assurer une relation la plus efficace possible entre le demandeur et le spécialiste. Il rassemble un ensemble d'informations générales permettant de comprendre la nature et les propriétés des élastomères ainsi que les contraintes guidant les choix. Vous trouverez la liste exhaustive des familles d'élastomères vulcanisés et les principaux élastomèresthermoplastiques ainsi qu’une méthode de choix du matériau le plus approprié pour un usage. Une série de graphe et de planches nécessaire pour appliquer la méthode de choix se trouve à la fin de ce guide.
3. Les familles d'élastomères
On compte une quinzaine de familles d'élastomères et dans certaines de ces familles dix à vingt grades différents. Les méthodes actuelles de polymérisation permettent, de plus en plus, la fabrication de produits sur mesure répondant à la fois aux problèmes de mise en oeuvre et aux propriétés recherchées.
La classification courante consiste à séparer les caoutchoucs en trois catégories :
– les caoutchoucs à usages généraux, qui sont représentés par le caoutchouc naturel (NR) et le
poly-isoprène de synthèse (IR), les copolymères de butadiène styrène (SBR) et les polybutadiènes (BR);
– les caoutchoucs spéciaux , qui sont les co-ou ter-polymères d'éthylène propylène et diène (EPM et EPDM), les copolymères d'iso-butylène isoprène, chlorés ou bromés (IIR, CIIR, BIIR), les copolymères de butadiène acrylonitrile (NBR), et les polychloroprènes (CR);
– les caoutchoucs très spéciaux , qui rassemblent les caoutchoucs de silicone (VMQ), les élastomères fluorés (FPM), les polyéthylènes chlorés et chlorosulfonés (CM, CSM), les polyacrylates (ACM), les copolymères éthylène acétate de vinyle (EVA) et l'éthylène acrylate de méthyle (EAM), les caoutchoucs nitrile hydrogénés (HNBR) et les caoutchoucs d'épichlorhydrines (CO, ECO, GECO).
Il est possible d'ajouter à cette classification les élastomères thermoplastiques qui forment une catégorie à part. En effet, par rapport aux caoutchoucs précédemment cités, ces élastomères n'ont pas besoin d'être vulcanisés et se mettent en oeuvre comme les thermoplastiques.
Les paragraphes suivants passent en revue les différentes propriétés générales des élastomères.
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