Propriétés - Allize-Plasturgie

INNOVEZ :Substituez vos matériaux traditionnels par des plastiquesnouvelle génération !31.05.2013Guy CHRETIEN – Chef de Projet R&DSébastien MOUSSARD – Ingénieur MatériauxMatériautech ® , 39 rue de la Cité, 69003 Lyon

8 Materiautech ®Les Matériautech ® , sont des centres de compétences européens en Plasturgie et Eco-Conception.En EuropeLYON / GENERALISTE (Allizé Plasturgie)PARIS / GENERALISTE (Fédération de la Plasturgie)OYONNAX / INJECTION & OUTILLAGES (PEP)SOPHIA ANTIPOLIS / BIOMATERIAUX (Carma)SAINT- ETIENNE / DESIGNER (Cité du Design)MAUVES / COMPOSITES (Compositec)ALES / NANOMATERIAUX (Ecole des Mines)ITALIE / MATIERES TECHNIQUES HT (Proplast)Développements en coursAllemagne / Espagne4Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Pourquoi substituer les matières traditionnelles ?Gain économiqueAllégementContraintesréglementairesPourquoisubstituer ?Intégration defonctionsContraintesenvironnementalesCompétitivité5Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Substitution : propriétés recherchées• Complexification des cahiers des charges :• Nécessité de matériaux plus spécifiques et mieux adaptés• Conception de matériaux sur mesure• Nécessité d’améliorer constamment les performances despolymères pour satisfaire à des critères spécifiques …• Propriétés recherchées :• Mécaniques / thermiques• Résistance à la fatigue / à l’usure• Résistance au feu / tenue chimique• Autres propriétés associées6Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Propriétés mécaniques / thermiquesLes thermoplastiques post-réticulables - ExemplesMatière plastiquehaute températurePAILCPPSU300°CPrixMatières hautes performances :obtenues à partir d’une chimiede spécialité plus onéreuses.Matière plastiquetechniquePEIPCPTFETPUPA 4-6POM150°CMatières de commodité : moinschères, mais T° d’utilisationinsuffisante.Matièreplastique decommoditéPSPMMAPVCPA 11 PA 12PPPE100°C La réticulation permet decompenser cette carence àfaible coût.AmorpheSemi Cristallin8Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013Source : SETUPPerformance

Propriétés mécaniques / thermiques2 - Les nanocomposites• Limites des composites traditionnels : amélioration de certainespropriétés au détriment des autres• Avantages des nanocomposites :• Amélioration significative des propriétésRéduction de la dimension des particules et accroissement des surfaces decontacts et d’échanges : rapport surface / volume élevé• Allégement à performance égale ou supérieureUtilisation de fractions volumiques beaucoup plus faibles que pour les particulesmicrométriques.• Apport de nouvelles fonctions (optiques, électro-magnétiques,thermiques,…).Amplification des interactions9Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Température [°C]Propriétés mécaniques / thermiques• Cas des nanotubes de carbone (CNT)• Propriétés mécaniques : 100 x plus résistant que l’acier• Propriétés thermiques et électriques : 2800°C• Ex 1 : Compound PP + 0,5% CNT807570656055PPC 5660PPC 5660 + 0,5 % CNT5045Vicat A50 (10N)HDT 1,8 MpaARKEMA / Graphistrength® CNT un excellent additif pour augmenter les propriétés thermiques10Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Propriétés mécaniques / thermiques• Ex 2 : Compound EPDM + 3 % CNT• Augmentation des propriétés mécaniques Contrainte à la rupture x 2 Résistance à l’abrasion x 2Augmentation significative de la résistance à la déchirureARKEMA / Graphistrength®11Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Propriétés mécaniques / thermiquesE(120°C) [MPa]Nanoparticules d’argile, famille des phyllosilicates• Ex. : Influence du taux de nano argiles sur les propriétés d’un PACondition : avoir une bonne dispersion des nanocharges dans des matériaux de base70060050040030020010000 2 4 6Teneur en argile [wt%]• Une faible quantité de particules (2-5 %) suffit pour obtenir uneamélioration significative de propriétés Allégement des pièces compositesSaponiteMontmorilloniteKojima12Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Propriétés mécaniques / thermiques3 – Les matériaux de nouvelle génération• Polyamides (PA 4-6)• Polycarbonates (PC)• Polyphtalamides (PPA)PAI LCPPSU PAEKPTFEPEIPPSPCPMMA300°CPA 4-6PPAPOMPA 11 PA 12150°C100°C• PolyPhenylEther (PPS)• Polysulfones (PSU, PESU, PPSU)PSAmorphePVCPE PPSemi Cristallin• PolyArylEtherCétones (PAEK : PEK, PEEK, PEKK, PEEKK, PEKEKK)• Polyimides (TPI, PAI)13Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Propriétés mécaniques / thermiquesMPa1400012000Module de flexion en fonction de la températureTaux de 30 à 40%de Fibres de VerrePPAPEEK10000PA4680006000PAITPIPES40002000PPSPPSUet PEIPSU00 50 100 150 200 250 300 350 400 450°C14PA 4-6 PPS PPA PEEK PSU PPSU & PEI PESU TPI PAIMatériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013Source : ExpertBusiness Development

Propriétés mécaniques / thermiquesComparaison des températures de transition vitreuse (Tg)MatièresTgPA 4-6 80°CPPS 90°CPPA 110 à 125°CPAEK 143 à 170°CPSU / PPSU / PESU 190°C / 210°C / 220°CPEI 217°CTPI 250°CPAI 275°C15Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013Source : ExpertBusiness Development

Propriétés mécaniques / thermiquesLes polyamides 4-6 (grades Stanyl®)• Matériau à cristallinité élevée dont la T° de fusion est de 295°C.• Rigidité :• Haut degré de cristallinité conserve en grande partie sa rigidité à destempératures proches de son point de fusion.Nota 1 : Les grades Stanyl High Flow®peuvent remplacer les LCPNota 2 : Effets de l’humidité : commetout autre polyamide, le Stanyl®absorbe l’humidité réversiblement16Source DSMMatériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Propriétés mécaniques / thermiquesUne nouvelle famille de PC hautes températures (Lexan XHT)• Utilisation de nouveaux comonomères dans la résine17Heatexan* XHTResinsPARHHPCPMMIPEIXHTPESAmorphousPPSUPSUChemical ResistancePBIPIPAIPEEKPPSPTFEPA46PPALCPCrystalline• Caractéristiques mécaniques• Température d’utilisation sur du longterme entre 140 et 185°C• HDT 155°C• Parois fines possiblesMatériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013Source SABICInnovative Plastics

Propriétés mécaniques / thermiquesSource EVONIKNouvelles générations de PPA :• Basés sur PA6T/X et PA10T/X (Exemple : grades Vestamid)• Hautes températures d’utilisation > 180 °C• Propriétés mécaniques constantes indépendantes du tauxd’absorption d’eau• Excellente résistance au fluage, à la fatigue et haut module18Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013Source EVONIK

Propriétés mécaniques / thermiquesLes PPS2 types :• Linéaire, choisi pour sa bonne résistance aux chocs• Réticulé, choisi pour sa bonne rigidité, résistance au fluage ettenue en températurePropriétés générales :• Stabilité thermique sur du long terme > 240°C (Tf = 280°C)• Haute rigidité (haut module)• Résistant au fluageRéserves :• Tg plutôt basse (env. 90°C)• Résistance aux chocs limitée et sujet àl’élongation (poids moléculaire modéré)19Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Propriétés mécaniques / thermiquesNouveau développement : un PPS modifié chocPPS linéaire modifié élastomère :• Allongement à la rupture amélioré• Résistance au choc thermique• Performant sous hautes T°20Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013Source DIC

Propriétés mécaniques / thermiquesLes polysulfones : PSU, PESU, PPSUPolymère amorphe thermostable :• Haute Tg• Propriétés constantes jusqu’à leur Tg• Stabilité thermique élevée sans perte de propriétés mécaniques• T utilisable en continu 180°C (à court terme max 205°C)• Haute rigidité et bonne résistance au fluageMatièreTgPSU 187°CPESU 225°CPPSU 223°C21Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Propriétés mécaniques / thermiquesLa famille des PAEK• Point de fusion jusqu’à 387°C• Maintien des performances après 5 000 heures à 150°C• Module et résistance spécifique élevés• Une remarquable tenue en température :• HDT de 150 à 175°C pour les résines pures, jusqu’à 300°C pour lesrésines renforcées• Utilisation en continu jusqu’à 250 – 260°C,• Expositions courtes jusqu’à 300°C• Rigidité élevée, résistance élevée en traction et compression• Tenace mais sensible aux entailles• Un bémol : sensible aux UV Matière Tg T° fusionPEK 330°C – 360°CPEEK 143°C 343°C22Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013PEKEKK 162°C 387°C

Propriétés mécaniques / thermiquesTPI, PEI & PAI : le sommet de la pyramide• PEI• Polymère amorphe thermostable, destiné à l’injection• Performances thermiques (Tg 217°C), en continu 170°C• Haute rigidité• PAI• PI• Thermoplastiques à hautes performances - Tg 275°C• T d’utilisation en continu jusqu’à 200°C• Bonne résistance mécanique• Tg supérieure à 200 °C,• T° dégradation pouvant atteindre 400 °C,23Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Propriétés mécaniques / thermiquesMPa1400012000Module de flexion en fonction de la températureTaux de 30 à 40%de Fibres de VerrePPAPEEK10000PA4680006000PAITPIPES40002000PPSPPSUet PEIPSU00 50 100 150 200 250 300 350 400 450°C24PA 4-6 PPS PPA PEEK PSU PPSU & PEI PESU TPI PAIMatériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013Source : ExpertBusiness Development

TPI & PEI : un module spécifiqueSpecific Tensile Strength(MPa cm 3 /g)Aluminum/EXTEM XH ComparisonSpecific Tensile Strength80706050EXTEM XH1005Aluminum 6063-T5Aluminum 1100-H184030201000 50 100 150 200 250 300Temp (°C)25Specific Tensile strength outperformssome DCAL’s at T°Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013Source SABICInnovative Plastics

Résistance à la fatigue / résistance à l’usure• Résistance à la fatigue et sollicitations mécaniques• PA 4-6,• PPA,• PPS (super tough de DIC),• PAEK• Résistance à l’abrasion et à l’usure• Thermoplastiques post-réticulables• PA 4-6 type Stanyl® (excellente résistance)• PPA• PAEK• PAIPièces defrottement26Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Résistance au feu / tenue chimique1 – Matériaux de nouvelle génération• Résistance au feu• PPS (UL94-V0)• PAEK (V0, Intrinsèquement ignifuge, faibles émissions de fumées)• PEI (V0, Intrinsèquement ignifuge, faibles émissions de fumées)• PSU• Résistance chimique (stress-cracking)• PEX (Résistance au solvant)• TPU-X (Tenue aux huiles améliorée)• PPA• PPS (Résistance chimique proches de celle des PTFE)• PSU• PAEK (Résistance à la plupart des agents chimiques organiques ounon organiques)27Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Résistance au feu / tenue chimique• Résistance à l’hydrolyse• PPA• PAEK - Résistance élevée- Seulement sensible aux agents très agressifs (acides sulfuriqueet nitrique fumants, chlorure de méthylène)28Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Résistance au feu / tenue chimique• LOI, Limited Oxygen IndexPolyoxyméthylènePolyéthylènePolypropylènePolystyrènePolybutylènetereph.PolyamidePolyphénylènetherPolycarbonatePolysulfonePolyaryléthercétonePolyéthersulfonePolyvinylchlorurePOMPEPPPSPBTPAPPEPCPSUPEAKPESUPVCOxygen [%]: 0 10 20 30 40 5029Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013Source BASF

Résistance au feu / tenue chimique2 – Les nanocharges• Nanocomposites d’argile• Les feuillets d’argile jouent un rôle barrière à l'oxygène lors del’exposition aux flammes• Résistance au feu insuffisante en comparaison à des retardateurs deflamme conventionnels incorporés à des taux beaucoup plus élevés.• Emergence de combinaisons de nanoparticules avec des composésnon-halogénés• Effet de synergie• Effets de renforcement (ex : mécaniques)NanochargesReprésentation de l’effet barrière à l’O 2 des nanocomposites30Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Résistance au feu / tenue chimique• Cas d’un PP/PA6,Ecole des Mines d’Alès, Centre des Matériaux (C2MA)• Combinaison de la propriété de ductilité du PP et de la résistancemécanique du PA6• Amélioration du comportement au feu des mélanges PP/PA6• Incorporation de charges minérales nano ou micro• Formulations:• PP/PA6 (80/20)• SEBS-g-AM (5% en masse) : agent de comptabilisation• Charges minérales (5% en masse):- Argile 1 : Montmorillonite organomodifiée (N5)- Argile 2 : Sepiolite (Sep)- Argile 3 : Halloysite (HNT)• Retardateur de flamme (RF) phosphoré (15% en masse):• Analyses au cône calorimètre : débit calorifique = f(temps)31Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Résistance au feu / tenue chimique600450sans RF phosphoré-2Irradiance: 35 kW.mPP/PA/SGMPP/PA/SGM/SepPP/PA/SGM/HNTPP/PA/SGM/N5HRR débit calorifique kW. m -2300150forte chutePP/PA/SGM/Argile 1PP/PA/SGM/N500 150 300 450 600Time (s)B.Otazaghine-C2MA• Formulations sans RF phosphoré:• Seule la formulation PP/PA/SGM/Argile 1 montre une forte chute duHRR• L’allure de la courbe est caractéristique d’un effet barrière32Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Résistance au feu / tenue chimique700600500400avec RF phosphoréPP/PA/SGMPP/PA/SGM/RFPP/PA/SGM/RF/SepPP/PA/SGM/RF/HNTPP/PA/SGM/RF/N5HRR kW. m -2300200meilleures performancesavec RF/Argile 21000200 400 600 800 1000Time (s)• Formulations avec RF phosphoré:• Toutes les formulations chargées ont un meilleur comportement que laformulation contenant uniquement le retardateur flamme• La combinaison Sepiolite/RF donne les meilleures performances Effet de synergie : résistance au feu plus importanteB.Otazaghine-C2MA33Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Autres propriétés associées• Résistance diélectrique élevée (isolation, résistance au claquage)• PEX (TP post réticulé) - Résistance au claquage• PAEK - Haute tension de claquage,- Isolation,- Stabilité de propriétés diélectriques• Biocompatibilité, ISO/USP, alimentarité :• PAEK (grande pureté), PPSU, PESU, PEI …• Stérilisation :• PSU• Haute fluidité :• PA4-6, PPS, PAEK, LCP.• Faible retrait de la matière et stabilité dimensionnelle :• PPA, PPS, PEI, PESU, PPSU/PSU …34Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Autres propriétés associées• Conduction thermique• Matières issues de ressources renouvelables / recyclage• PPA (VestamidPA6T/X et PA10T/X) biosourcés à 50 %• Facilité de mise en forme / miniaturisation• Traçabilité / identification• Plastronique• Propriétés barrières• Aspect de surface35Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

ConclusionIntégrationde fonctionsFacilité miseen formeLiberté deforme /conceptionAllégement,réductionépaisseursVALEURAJOUTEEPerformancedesmatériauxAssociationde plusieurspropriétés36Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Merci pour votre attention !39 rue de la Cité 69441 LYON - Cedex 03 Francewww.materiautech.orgGuy CHRETIENChef de projet R&DTél : +33 (0) 426 682 896g.chretien@cirfap.comSébastien MOUSSARDIngénieur matériauxTél : +33 (0) 426 682 857s.moussard@materiautech.org37Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013

Journée PLASTIC LINK DAYSLes thermoplastiques de spécialité, une alternative aux matériaux traditionnelset aux métaux pour des nouvelles perspectives.38Matériautech ® / Forum de la Plasturgie et des Composites / 31.05.2013