Réseau plasturgie: Thermoplastes à haute résistance

Quelles alternatives au PEEK ?

| Rédacteur: Jean-René Gonthier

Figure1: Eprouvette CT (compact tension) avec une couche graphite pour mesurer la propagation de la fissure sous charge dynamique.
Figure1: Eprouvette CT (compact tension) avec une couche graphite pour mesurer la propagation de la fissure sous charge dynamique. (Image : EIA-FR)

>> Dans le cadre d’un projet de recherche collaboratif soutenu par le Pôle scientifique et technologique du canton de Fribourg, des membres du Réseau plasturgie ont étudié une série de thermoplastes à haute résistance. Leur but ? Mieux connaître leurs propriétés afin d’évaluer de quelle manière ils pourraient offrir une alternative intéressante au PEEK, un matériau idéal mais au prix très élevé. Le PEEK (PolyEtherEtherKetone) signifie polyétheréthercétone.

Les polymères les plus fréquemment utilisés dans l’injection ont des températures de fusion de l’ordre de 100-120°C. Cela permet de les injecter à des températures relativement basses tout en garantissant leur intégrité lors d’utilisation à des températures standards. Mais ils sont de fait exclus de toute utilisation à haute température, comme composant de moteur de voiture par exemple. Ce genre d’applications demande d’avoir recours à des thermoplastes à haute résistance, comme le PEEK, capable de résister à des températures d’environ 200°C, tout en offrant d’excellentes propriétés mécaniques (résistance, fluage, fatigue et ténacité) et diélectriques, un faible risque de combustion et une mise en œuvre relativement aisée. Le prix de ce matériau, de l’ordre de 100.-/kg, le cantonne cependant à de très faibles volumes. Mais toutes ses qualités ne sont pas forcément requises pour toutes les applications.

Un travail en team

Dans le cadre du projet de recherche collaboratif PolyHT du Réseau plasturgie, soutenu financièrement par le Pôle scientifique et technologique du canton de Fribourg (PST-FR), les entreprises Johnson Electric, Plaspaq, Jesa, Sonceboz et ETA ainsi que leurs partenaires académiques de l’Ecole d’ingénieurs et d’architectes de Fribourg ont cherché à savoir quelles pourraient être les alternatives au PEEK pour des applications particulières. Alternatives qui viseraient idéalement à optimiser le rapport entre les propriétés indispensables et le coût du matériau, qui est ici typiquement de l’ordre de 20.-/kg. Ces alternatives peuvent également consister en mélanges de matériaux ainsi qu’à leur réticulation.

Denis Cuche, Ennio Vanoli et Stephan Hengsberger, tous trois professeurs à l’EIA-FR, ont tout d’abord étudié les propriétés mécaniques (résistance, fluage, fatigue, ténacité et propagation de fissures) de matériaux alternatifs proposés par les partenaires industriels du projet. Ils se répartissent en deux classes : amorphes et cristallins. Les matériaux amorphes étaient de type PEI (avec 0, 10 et 20% de fibres de verre) ainsi que PESU. Les cristallins étaient de type PPS (40% de fibres de verre), PA (30% de fibres de carbone) et PARA (50% de fibres de verre).

Amorphes contre cristallins

Il ressort des divers essais que les matériaux amorphes se révèlent plus fragiles. Le recours à une charge de fibres de verre permet d’améliorer la situation et de les rendre moins sensibles à la fatigue. Quant aux matériaux cristallins, ils possèdent une meilleure ténacité. Les PPA et PARA, qui sont des PA aromatiques, sont de fait sensibles à l’eau, qu’ils absorbent plus facilement. La charge, qu’elle soit composée de fibres de verre ou de carbone, en améliore aussi les propriétés mécaniques. Les essais ont montré que, pour les matériaux étudiés, une charge de fibres de carbone de 30% était mécaniquement équivalente à une charge de 50% de fibres de verre. Enfin, ces matériaux cristallins étant plus fluides lors du processus d’injection, cela rend possible l’adjonction d’une plus forte charge. Cette meilleure connaissance des propriétés mécaniques permettra également de dimensionner plus efficacement les pièces.

D’après les chercheurs, le mélange de matériaux est une piste intéressante à explorer, car il peut permettre de sélectionner et d’additionner les propriétés intéressantes de deux matériaux. Au niveau industriel, cette idée se heurte toutefois au problème que seuls certains mélanges sont certifiés et qu’il est donc difficilement envisageable de produire soi-même un mélange ad hoc.

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Ils ont ensuite étudié la possibilité de réticuler ces matériaux, tant chimiquement (par adjonction d’un additif au polymère avant l’injection) que physiquement (par rayonnement alpha, bêta ou gamma). Les deux pistes ouvrent des perspectives intéressantes quant à une amélioration des propriétés mécaniques. Le principal problème demeure la mise en œuvre de ce processus durant l’injection. Ceci est particulièrement vrai pour la réticulation physique en raison de l’infrastructure nécessaire pour produire le type de rayonnement approprié. Un autre problème est que le rayonnement produit tout à la fois des liaisons entre les polymères et détruit les chaînes de molécules. Il faut donc trouver le meilleur équilibre possible. A cette fin, il serait donc nécessaire de poursuivre l’étude. <<

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