Matériaux à liants polymériques: chaînes pontées Courard Luc Département ArGEnCo Secteur GEMME – Matériaux de Construction, Université de Liège B52 – Local -1/534 Tél. 04/366.93.50 – Courriél: [email protected] Génie Minéral Matériaux & Environnement Classement des matériaux en fonction de leur composition, leur microstructure ou leurs propriétés Métaux: solides atomiques (Tambiante) Polymères organiques: matériaux composés de molécules Céramiques: matériaux inorganiques Polymères et consommation Consommation Européenne de polymères dans la construction Application field Type Consumption Textiles in architecture Polyester/glass PVC/polyester Carbon/Kevlar 28 000 tons 100 000 tons not significant Impermeable membranes PVC PE (HD + LD) EP, PU, UP resins SBS, APP bitumen modif. 200 000 tons 250 000 tons 50 000 tons 88 000 tons Road paintings Liquid, hot melt, strips 280 000 tons Tubing for optical fibres PEHD 200 000 tons (2001) 600 000 tons (exp. 2010) Tubes for sewers, gas, PVC, PE, PP, UP water… 2 761 000 tons Concrete modification 486 000 tons Définitions Polymère à chaînes pontées: réactions chimiques irréversibles entre deux partenaires de réactions souvent désignés comme "résine" et "durcisseur". les deux partenaires de réactions se présentent souvent à l'état liquide à température ambiante car ils sont, soit des monomères, soit des prépolymères à bas poids moléculaires. ces matériaux possèdent au moins deux groupes fonctionnels par molécule. Un des constituants est au moins trifonctionnel. A+B→C+D Définitions Définitions Résines époxydes Résines époxydes Macromolécule O O CH2 CH O C O R C O CH2 O O CH2 CH CH2 R = radical organique CH CH2 O Résines époxydes Préparation Épichlorhydrine de glycol + alcool 1ère phase: formation d’un polymère linéaire (polycondensation) Résines époxydes Préparation 2ème phase: durcisseurs à froid (T >5°C) : amines action des durcisseurs sur groupes époxy (très réactionnel) groupes –OH (adhésion) Résines époxydes action des durcisseurs amines sur les groupes époxy R = radical amine R1 = radical du bisphénol Résines époxydes action des durcisseurs sur groupes –OH Résines époxydes Composants Accélérateurs: pour ↑ vitesse ou travailler à température ↓ Diluants (solvants): ↓ viscosité → facilité d’emploi Plastifiants: ↑ flexibilité → déformabilité Charges (silice, quartz) ↓ exothermicité ↓ retrait ↓ prix Résines époxydes Caractéristiques Variables = f(résine, charges) Densité résine Densité résine + charges 1,2 2 Retrait de polymérisation <2,5% Résistance en traction 80 MPa Résistance en compression 120 MPa Module d’élasticité 4000 MPa Tenue aux acides, bases très bonne Très bonne adhésivité Résines époxydes Mise en oeuvre Adhésifs Réparation des ouvrages de génie civil Très répandus comme colle (Araldite®) 2 composants (résine + durcisseur) Traitement de surface indispensable (éviter rouille, graisse,..) Sablage, ponçage, grenaillage OK pour métaux, bétons, plastiques, bois, … Résines coulées Dans moules métal, bois, … Retrait < 2,5% (charges) Résines époxydes Mise en oeuvre Revêtements Protection des métaux Vernis pour bois et métaux Peintures émaillées pour voitures Stratifiés Avec fibres de verre Emploi: quand exposé à T° ↑ Polyesters insaturés Polyesters insaturés Macromolécule O H C C O C C O R O n CH2 H C R = radical organique Polyesters insaturés Préparation Diacide + dialcool Insaturés: double liaison dans le radical (saturés: absence de double liaison linéaire) Pontage: via styrène 1ère phase: acide maléique + éthylène glycol (polycondensation) Polyesters insaturés Préparation 2ème phase: dissolution du polyester dans un styrène qui sert de solvant et de futur agent de pontage des chaînes O O C O CH + CH2 CH C O CH2 CH2 O CH O O C CH CH C O CH2 CH2 O O O O C O CH CH C O CH2 CH2 HC O C CH CH C O CH2 CH2 O CH2 O Polyesters insaturés Composants Polyols Éthylène glycol Diéthylène glycol Propylène glycol Diacides Diacide maléique Polyesters insaturés Composants Solvants – monomères coplymérisables Styrène (30 à 40% p.r. résine) Inflammabilité (point éclair: 31°C) Mélange explosif avec air Méthacrylate de méthyl Transparence (indice de réfraction proche du verre) Catalyseur: peroxyde de benzoyle Colorants Charges: ↓ prix, auto-extinguibilité (dolomie, calcaire, silice) Polyesters insaturés Règlage de la réaction: la réticulation d'un liant polyester peut être accélérée ou ralentie pour un liant de composition donnée dans des conditions thermiques données : accélération : en augmentant la proportion d'initiateur et d'accélérateur (jusqu'à une certaine limite); ralentissement : diminution de la vitesse par diminution des pourcentages d'initiateur et d'accélérateur (jusqu'à une certaine limite); augmentation de la durée d'induction : par augmentation du pourcentage d'inhibiteur. Polyesters insaturés Additifs Accélérateurs Polyesters insaturés Additifs Catalyseurs (durcisseur) Polyesters insaturés Caractéristiques Variables = f(résine, charges, diols, diacides) Densité résine 1,1 à 1,2 Coefficient de dilatation 90 à 100 10-6 Résistance en traction 50 à 70 MPa Résistance en compression 150 MPa Module d’élasticité 3500 à 4500 MPa Tenue aux acides très bonne Très bonne adhésivité Polyesters insaturés Mise en oeuvre Stratifiés Renforcement: verre (fibres coupées, longues, tissus, …) Résistance aux hautes températures Hygroscopie = 0 Imputrescibilité Bonnes caractéristiques mécaniques Résistance aux U.V. Moulage par contact Polyesters insaturés Moulage au contact Moulage au contact Polyesters insaturés Moulage au contact Moulage par projection Polyesters insaturés Moulage au contact Moulage sous vide Sac à vide Polyesters insaturés Mise en oeuvre Compound de moulage Résine à forte viscosité (avec fibres de verre, charges, colorant, lubrifiant) Moulage Température: 110 – 150°C pression: 180 bars Coffrets, boîtiers électriques, … Vernis polyester Mobilier Projection 2 composants par pistolage Résine + catalyseur Résine + accélérateur Polyesters insaturés Applications Bâtiments Plaques ondulées Lanterneaux – coupoles Châssis de fenêtre Fosses septiques Injection des fissures – sols Sports Skis Arcs et flèches Bateaux Carrosseries pour voitures Stockage Solutions agressives Réservoirs pétroliers Résines polyuréthannes Polyuréthannes Macromolécule H O N C O CH2 CH CH2 O O N C N n O C O N H Polyuréthannes Préparation isocyanate + alcool formation d’un composé linéaire si polyol (ex. cellulose) → PUR réticulé Polyuréthannes Composants Polyisocyanates Diisocyanate de toluène Hexaméthylène diisocyanate Polyuréthannes Applications Mousses Souples ou rigides Très réactifs: procédé en continu Gonflement avec H2O soit au total: Polyuréthannes Caractéristiques Réaction chimique rapide Polyuréthannes Fabrication de mousse Applications Isolation thermique Âme de panneau sandwich Polyuréthannes Fabrication de mousse: représentation schématique d'une installation à double convoyeur avec parements souples et rigides Polyuréthannes croissance cellulaire lors de la formation de mousse PUR rigide Polyuréthannes Applications Colles isocyanate + polyester Température de maturation: 100°C Adhérence: verre, métal, bois, … (moins bonne que Epoxy) Vernis – peintures isocyanate + tri-ols (cellulose) Isolants électriques Revêtements de métaux Revêtements pour le bâtiment isocyanate + polyester Adhérence: métaux, béton, asphalte Emplois Protection de chapes+revêtements en béton Revêtements industriels Réparations Protection interne des tuyaux Polyuréthannes Applications: isolation thermique et étanchéification en une seule opération