Fiche de révision : Formulation et mise en forme des plastiques

📋 Plan du Cours

1. Industrie mondiale des plastiques
2. Production et impacts chiffrés
3. Définition et classification
4. Formulation et propriétés
5. Secteurs d’application
6. Recyclage et économie circulaire
7. Principes de mise en forme
8. Rhéologie des polymères fondus
9. Procédés de transformation
10. Extrusion et moulage

📖 1. Industrie mondiale des plastiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Plastique biosourcé : Constitué de polymères provenant totalement ou partiellement de ressources renouvelables, c’est-à-dire de biomasse.

★ À maîtriser

• La filière mondiale des plastiques relie le pétrole ou la biomasse aux monomères, aux polymères, aux additifs et renforts, aux formulateurs, aux moulistes et constructeurs de machines, aux transformateurs, aux produits finis, aux utilisateurs et aux déchets régénérés.

Compléments

• Les sites de production de plastiques pétrosourcés sont implantés près des ports, où le pétrole est transporté par navire, ou près des pipelines.

• Dans la biomasse lignocellulosique, la lignine, la cellulose et les hémicelluloses sont fortement liées, ce qui rend les étapes d’extraction et de séparation complexes.

💡 Astuce mémo

Pétrole ou biomasse → monomères → polymères → formulation → transformation → produits → déchets

📖 2. Production et impacts chiffrés

★ À maîtriser

• La production mondiale annuelle de plastiques est d’environ 360 millions de tonnes aujourd’hui et pourrait atteindre 590 millions de tonnes en 2050.

• La consommation mondiale de plastiques est caractérisée par une forte croissance de 9 % par an, une part d’environ 40 % d’emballages dans l’Union européenne et 39 % de déchets mis en décharge dans l’Union européenne.

• Environ 80 % des déchets plastiques finissent en mer et 13 millions de tonnes de plastique aboutissent chaque année dans les océans.

Compléments

• Depuis 1950, l’humanité a fabriqué cumulativement 8,3 milliards de tonnes de plastiques.

💡 Astuce mémo

360 Mt produites aujourd’hui, mais 590 Mt prévues en 2050 : croissance contre soutenabilité

📖 3. Définition et classification

🔑 Notions clés & Définitions

• Plastomère : Matériau constitué essentiellement de macromolécules pouvant être transformé par modelage ou moulage, généralement sous l’effet de la température et de la pression.

★ À maîtriser

📌 Les thermoplastiques peuvent être fondus, mis en forme puis retraités, tandis que les thermodurcissables forment un réseau tridimensionnel réticulé qui ne peut plus être fondu ni remis en forme après sa synthèse.

📌 Les polymères amorphes possèdent des chaînes désordonnées et une plage de ramollissement, tandis que les polymères semi-cristallins possèdent des zones ordonnées et un point de fusion.

Compléments

• Les thermoplastiques comprennent notamment le PE, le PP, le PVC, le PS, le PET, le PMMA, le PC, le PA et le PEEK, tandis que les thermodurcissables comprennent les résines phénoliques, aminoplastes, polyuréthanes, polyesters insaturés, époxydes, silicones et polyimides.

💡 Astuce mémo

Thermoplastique = refondable ; thermodurcissable = réticulé et irréversible

📖 4. Formulation et propriétés

🔑 Notions clés & Définitions

• Compound : Mélange d’un ou plusieurs polymères avec divers ingrédients, tels que des plastifiants, stabilisants, charges ou renforts.
• Résine de base : Polymère commercial ne contenant ni additifs ni adjuvants.

★ À maîtriser

• Une formulation peut contenir:
  • résines de base
  • homopolymères
  • copolymères
  • renforts
  • additifs
  • adjuvants

Compléments

• Le grade est la référence technique utilisée par les fabricants pour désigner une résine synthétique possédant des propriétés spécifiques.

💡 Astuce mémo

Résine + additifs et renforts → compound aux propriétés adaptées

📖 5. Secteurs d’application

★ À maîtriser

• Les secteurs cités sont:

  • emballage
  • bâtiment
  • automobile
  • électricité et électronique
  • appareils ménagers
  • sports et loisirs
  • agriculture
  • santé
  • mécanique

• Les voitures actuelles contiennent au moins 20 % de plastiques, notamment pour alléger le véhicule, faciliter l’installation, offrir une grande liberté de conception et résister à la corrosion.

Compléments

• Le PE est utilisé pour des câbles et des réseaux d’eau, le PVC pour des fenêtres et des canalisations, le PS et le PUR pour l’isolation, et le PET pour les bouteilles et les textiles polaires.

📖 6. Recyclage et économie circulaire

📝 Points essentiels

• En France, 4,9 millions de tonnes de polymères, dont 0,7 million de tonnes recyclées, ont été produites en 2021.

• 🔄 La stratégie des 5R suit cet ordre:

  1. réduire
  2. réutiliser
  3. recycler
  4. retourner à la terre
  5. récupérer

📌 La prévention est l’objectif environnemental prioritaire et consiste à réduire au minimum la consommation de matières premières, la consommation d’énergie et l’ensemble des impacts environnementaux.

💡 Astuce mémo

Les 5R : Reduce, Re-use, Recycle, Return to earth, Recover

📖 7. Principes de mise en forme

★ À maîtriser

• 🔄 Les principales étapes de transformation sont:

  1. ajout des additifs
  2. mélange à froid ou à chaud
  3. fusion
  4. façonnage
  5. refroidissement
  6. solidification

• Le refroidissement solidifie le polymère par cristallisation ou formation d’une phase vitreuse et fixe l’orientation des macromolécules et des charges.

Compléments

• Les pressions de fonctionnement sont de 1 à 800 bar en extrusion, de 50 à 2000 bar en injection et de quelques bars en thermoformage.

💡 Astuce mémo

Fondre → mélanger → façonner → refroidir et solidifier

📖 8. Rhéologie des polymères fondus

★ À maîtriser

📐 Formule — Le nombre de Reynolds vérifie $Re = \frac{\rho u d}{\eta}$ ; pour un polymère fondu avec $u = 0{,}1\ \mathrm{m.s^{-1}}$, $d = 1\ \mathrm{cm}$, $\rho = 1000\ \mathrm{kg.m^{-3}}$ et $\eta = 1000\ \mathrm{Pa.s}$, sa valeur est $Re = 10^{-3}$.

• La viscosité de l’eau à 20 °C est d’environ 10^-3 Pa·s, tandis que celle d’un polymère fondu est comprise entre 10^2 et 10^6 Pa·s.

📌 Un fluide idéal visqueux se déforme sans récupérer sa forme, un solide idéal élastique récupère instantanément sa forme, et un matériau viscoélastique combine fluage sous contrainte et récupération partielle ou progressive.

Compléments

• La dissipation visqueuse chauffe le polymère fondu lorsque le cisaillement transforme une partie de l’énergie mécanique en chaleur.

💡 Astuce mémo

Faible conductivité thermique mais viscosité très élevée : écoulement lent et dissipation visqueuse

📖 9. Procédés de transformation

📝 Points essentiels

• Les procédés cités sont:

  • extrusion
  • coextrusion
  • extrusion-soufflage
  • extrusion de film soufflé
  • calandrage
  • compression
  • injection
  • thermoformage
  • rotomoulage
  • trempage

• Le moulage par extrusion-soufflage forme une pièce creuse en extrudant une paraison, en fermant le moule autour d’elle, en insufflant de l’air contre les parois du moule, puis en ouvrant le moule et en éjectant la pièce.

• 🔄 Le cycle d’injection suit ces étapes:

  1. fermeture du moule et alimentation
  2. plastification et remplissage
  3. maintien de la pression
  4. refroidissement et dosage
  5. ouverture du moule et éjection

📖 10. Extrusion et moulage

★ À maîtriser

• Les éléments principaux sont:

  • trémie d’alimentation
  • cylindre thermorégulé
  • une ou deux vis
  • moteur réducteur
  • canal sous pression
  • filière

• Les produits extrudés comprennent:

  • granulés
  • filaments d’impression 3D
  • plaques
  • profils
  • fils et câbles
  • tubes
  • bouteilles
  • films d’emballage
  • maillages
  • produits coextrudés

Compléments

• Le thermoformage consiste à chauffer une feuille thermoplastique, à la placer sur un moule, puis à la déformer par aspiration sous vide ou par pression d’air avant refroidissement.

• Le rotomoulage consiste à charger une matière dans un moule, à chauffer le moule en rotation, à refroidir la pièce puis à la démouler.

💡 Astuce mémo

Alimenter → plastifier → pousser dans la filière → refroidir → couper ou étirer

📊 Tableaux de synthèse

Thermoplastiques et thermodurcissables

Principaux procédés et produits