Thermoplastique

Les plastiques forment un groupe de matières composées de longues molécules, connues sous le nom scientifique de macromolécules ou encore polymères (du grec signifiant “plusieurs unités”).
 
Les polymères sont formés à partir de l’enchaînement de multiples molécules simples de petite taille. En commençant la chaîne avec des monomères de sources diverses, il est possible de composer une gamme variée de polymères aux multiples et diverses propriétés. Le procédé au cours duquel les molécules monomères sont enchaînées les unes aux autres est mieux connu sous le nom de polymérisation.

Les matières plastiques se divisent en deux grandes catégories : les thermodurcissables et les thermoplastiques.

Les thermodurcissables sont des matériaux qui, lorsqu’ils sont chauffés, forment un réseau de molécules polymères transversales en trois dimensions. La formation d’une structure transversale est irréversible et par conséquent les thermodurcissables ne peuvent pas se ramollir sans altération.

Les thermoplastiques se caractérisent par leur aptitude à conserver indéfiniment leur plasticité à chaud et leur rigidité à froid. La structure moléculaire de ces matières leur permet de ne subir aucune altération chimique au cours du thermoformage. Les cycles de chauffage et de formage peuvent donc être multipliés à plusieurs reprises. Les thermoplastiques constituent le groupe de matières plastiques le plus communément utilisé dans le commerce. Leur multiplicité rend leur classement difficile. En effet, les polymères ont chacun des propriétés individuelles qui varient considérablement de l’un à l’autre. II existe cependant au sein de ce groupe deux catégories, qui aident à clarifer les propriétés de ces matériaux. On distingue les thermoplastiques amorphes des thermoplastiques cristallins.

Voici quelques exemples de thermoplastiques cristallins :

le polyéthylène
le polypropylène
le nylon 6,6

Par contraste avec les thermoplastiques amorphes, les polymères cristallins sont généralement plus résistants, plus malléables et leur coloration peut varier du translucide à l’opaque. Ils présentent une résistance plus importante au travail, à l’usage, aux abrasions et aux produits chimiques. Le taux de retrait est plus élevé, ce qui diminue les capacités de contrôle sur leur stabilité dimensionnelle. Comme leur nom le suggère, ces matières présentent des aspects cristallins, ou ordonnés, dont la taille affecte considérablement leurs propriétés.

Les polymères amorphes se caractérisent par leur apparence dur, transparente, brillante et rigide. Leur retrait étant minime, ils présentent une bonne stabilité dimensionnelle. La résistance de ces matières, plus précisément leur résistance au choc, peut en général être renforcé par le rajout d’un additif caoutchouteux. Le polystyrène haute résistance (HIPS) ainsi que l’ABS constituent des polymères amorphes typique.

Les thermoplastiques amorphes incluent :

Le verre acrylique (PMMA)
Le polystyrène
L’ABS
Le PVC

LE THERMOFORMAGE

Le point de fusion des polymères amorphes ne se caractérise jamais clairement par un passage de l’état solide de la matière à l’état liquide. II se distingue par une phase intermédiaire caoutchouteuse

Diagramme de comportement des thermoplastiques

Diagramme de comportement des thermoplastiques amorphes
dans la relation température- poids moléculaire

A chaud, la feuille de thermoplastique rigide devient à un certain point malléable et caoutchouteuse à mesure que la température s’accroît. C’est à ce stade de transition qu’elle entre dans le domaine du travail en thermoformage. L’exécution de tout formage doit avoir lieu au sein de ces paramètres de températures. II est important d’identifier la fourchette de températures à laquelle la feuille devient élastique. Cette réaction varie selon les polymères.
Si la fourchette est étroite, il est important de contrôler strictement le déroulement des opérations. II est préférable que les matières à thermoformer se ramollissent et s’élastifent sur une large fourchette de températures plutôt qu’à un point de fusion bien déterminé. Les matières amorphes (comme le polystyrène à résistance modifiée ou l’ABS) présentent en général des paramètres de thermoformage plus souples que les matières cristallines (comme le polypropylène).

La qualité du matériau au moment où il commence à s’élastifer est l’une des grandes considérations qu’il faut prendre en compte lors du thermoformage. A l’état caoutchouteux, le module d’élasticité, ou la résistance à la déformation, des polymères varie d’une matière à l’autre. Ils présentent un comportement élastique, plastique, ou encore élastique-plastique.
La condition élastique se caractérise essentiellement par une phase où la matière est forte et élastique. Dans cet état, la matière présente une haute résistance à chaud et peut s’étirer jusqu’à 500 ou 600 % (il s’agit de matières à haute résistance à la rupture à chaud). Par contraste, il existe des matières de nature principalement plastique. A chaud, elles perdent leur résistance, se ramollissent et acquièrent une consistance de mastic. Ces matières disposent d’une résistance faible à l’élongation à chaud et ne peuvent s’étirer qu’à 15 ou 20 % avant de se rompre (il s’agit de matières à basses résistance à la rupture à chaud).
On peut identifier les propriétés élastiques et plastiques dans la fourchette de thermoformage exploitable d’une matière, qui peut être dominée par l’un ou l’autre de ces comportements. Les matières qui présentent une élasticité dominante se prêtent au formage sous pression (drapage). Les matières qui présentent une plasticité dominante dans la fourchette de thermoformage se prêtent bien au formage sous vide, une technique qui permet de réaliser un produit hautement défini.