(3.6) Charges Et Additifs

 

Charges et additifs

 

Charges et additifs On désigne sous le nom général de charge toute substance inerte, minérale ou végétale qui, ajoutée ajou tée à un polymère polymère de base, base, permet permet de modifier modifier de manière manière sens sensible ible les pro propriété priétéss mécaniques, électriques ou thermiques, d’améliorer l’aspect de surface ou bien, simplement, de réduire le prix de revient du matériau transformé.

On appelle adjuvants les substances mélangées  physiquement aux polymères, destinées à modifier ou améliorer leur comportement  rhéologique en machine de transformation, ou bien les propriétés d’usage des matériaux finis ( propriétés  propriétés physiques, physiques, stabilité à l’environnement). Les adjuvants sont des composés organiques, organométalliques, souvent de faible masse

moléculaire par rapport à celle du polymère, utilisés en faible concentration. On réserve le nom de charges à des produits produits (généralement (généralement min minéraux) éraux) utilisés en forte concentration qui ont pour effet principal de modifier les propriétés physiques du produit fini.

 

Charges et additifs Les matières thermodurcissables ont toujours contenu des charges de nature et de forme variées, variées, à des taux souvent souvent élevés pou pouvant vant attei atteindre ndre 60 % en masse. Le choix d’une charge pour une application donnée dans un matériau composite doit do it être être fa fait it en fonc foncti tion on : compatibili bilité té avec la résine résine de base base : non-toxicité, absence de coloration, 1) de llaa compati neutra utrallité ité et ine inert rtie ie chi chimiq ique ues, s, st stab abiili litté à la cha halleu eurr et à la lum umiière re,, faible ible absorption d’eau, d’eau, aucune influence su surr la stabili stabilité té du polymère polymère ou sa coul couleur; eur; 2) d dee la moui mouill llabi abilit litéé :  bonne répartition des poudres dans la matrice polymériq polymérique ue ou adhéren adhérence ce des fibres fibres à la résine résine de base; base; la unifor uniformité mité de qual qualité ité et de de granul granulomét ométrie; rie; 3) de la 4) du bas prix de revient.

 

Charges et additifs La quantité quantité de produits produits ajouté ajoutéss peut être être de quelque quelquess dizaines de % dans le cas des charges char ges et peut peut descen descendre dre à quelq quelque ue % et même moins dans le cas des additifs . Les propriétés apportées peuvent améliorer : 

le produit fini: - charges renforçantes permettant parfois d’alléger la pièc pièce; e; - charge charge bon march marchéé pour pour abai abaisse sserr le coût; coût; - charge chargess ignifuge ignifugeant antes; es; - charge charge conductr conductrices ices et anti-s anti-stati tatiques; ques; - colora colorants nts,, pigme pigments nts;; - agen agents ts anti anti-U -UV; V; - agent agent aanti nti-re -retra trait. it.

 

Charges et additifs 

la mise en oeuvre:

- système de catalyse catalyse comprenant comprenant les durcis durcisseurs, seurs, inhibite inhibiteurs, urs, catalyse catalyseurs, urs, stabilisa stabilisants nts thermiques et anti-oxydants; - lubrifia lubrifiants nts pour facilit faciliter er le façonnage; façonnage; - agents agents démou démoulant lant pour réduire réduire la tenda tendance nce de llaa résine résine à coller coller à la surfac surfacee des des outillages; - agents agents de fluage fluage;; - agents agents thixot thixotrope ropess pour pour abaisser abaisser la visco viscosité sité de la rési résine. ne.

 

Charges et additifs

Principales charges et principaux additifs utilisés 

Charges renforçantes



Charges non renforçantes



Charges ignifugeantes

 

Charges et additifs Charges renforçantes Charges sphériques renforçant renforçantes es L’intérêt principal L’intérêt principal de de ce type type chargé chargé réside réside dans leur leur géométrie géométrie sphérique sphérique qui qui répartit régulièrement les efforts et évite les concentrations de contraintes. Les sphères (ou microbilles) sont pleines ou creuses, d’un diamètre compris généralement entre 10 et 150µ. Elles sont en verre, en carbone ou en matière organique (acrylique, polystyrène). Mais les charges sphériques les plus utilisées,  plus de 99% des cas, cas, sont les billes de verre creuses. La sphère étant le volume qui correspond au plus faible rapport surface/volume. Cela implique implique un faible accroissement de viscosité de la résine et par con conséquent séquent la  possibilité d’un taux de cha charge rge plus élevé.

 

Charges et additifs

Microsphères de verre observées  par microscopie optique Courbes Courb es d dee vi viscosi scosité té à tempé température rature ambia ambiante nte d’une résin résinee alk alkyde yde chargé chargéee de talc et de la même résine chargée de microsphères

Pour un même taux volumique de charge dans la résine, le mélange avec microsphè micr osphères res prése présente nte une plus faible faible viscos viscosité ité comparée comparée à celle celle de dess mé mélang langes es contenant des charges minérales classiques, de formes géométriques aléatoires

 

Charges et additifs Avantages et limites d’utilisation des microbilles de verre creuses

Avantages - Tr Très ès faibl faiblee densi densité té - Choix Choix possibl possiblee du diamètre diamètre

Limites d’utilisation -Précaution -Précauti on à prend prendre re au cour courss de la manipulation des billes de verre

- Chimi Chimique quemen mentt inerte inerte - Augme Augmenta ntati tion on de la rigi rigidit ditéé de la la résin résinee

- Usure rapid rapidee des outils outils utilis utilisés és pour l’usinage de la résine chargée

chargée cha rgée eett de sa tenue tenue à la compres compression sion Possib sibil ilité ité de traite traiteme ment nt des micro microbil billes les - Pos avec av ec un un agent agent de pont pontage age app approp roprié rié à la résine utilisée

- Fra Fragil gilité ité cro croiss issant antee avec avec le le taux taux de de charge

 

Charges et additifs Charges renforçantes non sphériques Ce sont sont des p part articu icules les ayan ayantt la fo forme rme d’un d’unee écaill écaillee de 1 à 20µ d’épai d’épaisse sseur ur eett de 1 100 00 à 500µ 500µ de côté. On utilise essentiellement le mica sous cette forme, mais il existe également des écailles de verre, d’alumine, de carbure de silicium notamment. Le mica renforce des résines thermoplastiques ou thermodurcissables, le plus souvent dans des applications électriques ou électroniques. Ex.: isolant entre enroulement basse et haute tensions de transformateur.

Propriétés apportées par le mica Avantage

Limite d’utilisation

- Bonnes Bonnes propriété propriétéss diélectri diélectriques ques

- Faible Faible résista résistance nce aux choc chocss

- Haut Hautee rigi rigidi dité té mé méca cani niqu quee

- Dens Densit itéé asse assezz gr gran ande de (= (= 2. 2.7) 7)

- Prix Prix intére intéressa ssant nt - Bonne Bonne résista résistance nce chimique chimique - Bonne Bonne isolati isolation on thermique thermique

 

Charges et additifs Charges non renforçantes

Charges bon marché Ce sont des produits, produits, le plus souvent d’origin d’originee minérale, que l’on incorpore à la résine dans des proportions compatibles avec les performances recherchées pour abaisser le prix de la  pièce. En effet, ces charges charges sont simplement simplement extraites de ro roches ches ou de minerais don doncc très  bon marché.

Exemple de pr Exemple prix ix comparés comparés (à masse masse égale): égale): - Fibre Fibre de de ve verre rre E =1 - Résine Résine poly polyest ester er = 0.5 0.5 - Charge Charge carbonat carbonatee de calcium calcium = 0.01.

 

Charges et additifs Généralement, l’incorporation des ces charges dans les résines modifie les propriétés de la manière suivante : - en augmen augmentat tation ion:: viscos viscosité ité du mélang mélangee densité module d’élasticité dureté stabilité stabi lité dimensio dimensionnel nnelle le

- en diminu diminutio tion n : rés résist istanc ancee à la tracti traction on et à la flexio flexion. n.

Les principale charges sont:

les carbonates (CaCO3): de loin les charges les plus utilisées les silicates: le talc, le kaolin, le wollastonite

 

Charges et additifs Charges ignifugeantes Ce sont des produi produits ts qui ajoutés ajoutés à des résine résiness réduisen réduisentt ou empêche empêchent nt les p phéno hénomène mèness de combustion.

Hydrate d’alumine: c’est le principal produit produit utilisé utilisé avec les résines therm thermodurcissables. odurcissables. L’hydrate d’aluminium retarde la propagation de la flamme et supprime les fumées de combustio comb ustion n en absor absorbant bant une une grande grande partie de l’énerg l’énergie ie par la vaporatio vaporation n d’eau qu’il qu’il contient.

beaucoup moins utilisé que l’hydrate d’alumine da dans ns les Oxyde d’antimoine: ce produit est beaucoup thermodur therm odurcissa cissables bles.. Il est plus plus cher, plus plus lourd lourd (densité (densité = 5.3 à 5.8) 5.8),, pose de dess prob problèmes lèmes d dee toxicité toxi cité lors d dee la man manipul ipulation ation..

 

Charges et additifs Charges conductrices et antistatiques Les matrices organiques sont des isolants électriques et thermiques, les fibres les plus utilisées également, également, excepté excepté les fibres de carbone, carbone, il est est donc intéressant p pour our certaines applicati appl ications ons d’a d’ajout jouter er un élém élément ent conduct conducteur eur d’électri d’électricité cité et de chal chaleur eur au matériau matériau composite. Les principaux produits utilisés sont: - des poudres poudres ou paillettes paillettes métalliques: métalliques: aluminium, aluminium, cuivre, bronze,… - des microbilles microbilles de verre métallisées, recouvertes recouvertes de cuivre ou d’argent, - des par partic ticule uless de de 1 10 0 à 50 500µ 0µ de carbon carbonee (noir (noir de carbo carbone) ne) - des filaments métalliques très fins guipant les fibres de verre utilisées co comme mme renfort, ou un revêtement métallique très mince les recouvrant.

L’incorporation de ces éléments éléments augmente augmente également également la conductivité conductivité thermique thermique..

 

Charges et additifs Additifs Les principaux additifs sont : 

les accélérateurs et catalyseurs de polymérisation ;



les diluan diluants ts destiné destinéss le plu pluss souvent souvent à diminuer diminuer la la viscosité viscosité d'un d'unee rési résine; ne;



les plastifiants ou flexibilisateurs;



les tensioactifs tensioactifs destinés à abaisser la tension tension superfic superficielle ielle d'un liqui liquide de afin de faciliter le mouillage de certains renforts ;

 

les pigments et colorants ; les anti-oxydants, les anti-U.V., les anti-ozones, les antistatiques ...

 

Charges et additifs Lubrifiants et agents de démoulage On distingue:

- Le lubr lubrifia ifiant nt inte interne: rne: Facilite le façonnage par modification des forces de cohésion intermoléculaires, ce qui diminue dimi nue llaa visc viscosit ositéé de la résine résine mais ne doit doit pas altér altérer er ses propri propriétés. étés. Il a généralement un faible poids moléculaire et des groupements fonctionnels polaires.

- Le lubri lubrifia fiant nt exte externe rne : Agit à la surface surface de la la résine résine pour pour réduire réduire sa tendan tendance ce à colle collerr au con contact tact de dess équipements (moules). Il a généralement un haut poids moléculaire et polaire.

Certains produits produits peuv peuvent ent combin combiner er les deux fonctions.

 

Charges et additifs Pigments et colorants Les polymères sont, par nature, dans leur grande majorité, peu ou pas colorés. Leur coloration coloration doit satisfaire à des exigences exigences très diverses : - esthétique : tissus enduits, ameublement... ; - technique : amélioration amélioration de certaines ccaractéristiques aractéristiques physiques du polymère ou protection contre la lumière visible ou les radiations ultraviolettes ; - sécurité : signalisations fluorescentes des véhicules et des travaux routiers ; - repérage : câblerie ; - camouflage : armement.

 

Charges et additifs Les matières colorantes se divisent en deux grands groupes:

colorante sous forme de poudre ; de couleur ou 1. Colorants : matière colorante noir ; « soluble » dans les solvants et les substrats.

2. Pigments : matière colorante sous forme de poudre ; de couleur, blanc inso solu lubl blee » dans les solvants et les substrats. ou noir ; « in

Dimensions comparées des colorants, des pigments

Force coloran colorante, te, opacité opacité et dimension dimension des

 

organiques des pigments minéraux et des charges

particules des matières colorantes

Charges et additifs Le choix d’un pigment ou d’un colorant doit être fait en fonction de : - sa compat compatibi ibilit litéé avec avec la résin résine, e, - sa résistanc résistancee chimique chimique,, - ses propriét propriétés és optiques optiques,, - sa stab stabil ilit itéé ther thermi miqu que, e, - sa rrés ésis ista tanc ncee à la m mig igra rati tion on,, - sa rrési ésista stance nce aux UV, - sa faci facili lité té de disp disper ersi sion on,, - ses p propr ropriété iétéss électr électrique iques, s, - sa toxi toxici cité té,, - so son np pri rix x.

 

Charges et additifs Agents anti-retrait et agents de fluage Ce sont les additifs ‘‘ low profile’’ et ‘‘ low shrink ‘‘. Ils sont produits le plus souvent à  base de thermoplastique ou d’élastomère, sous la forme de poudre ou surtout en dilution dans du styrène. Ces produits améliorent également le fluage de la matière au cours des transformations. quantitéé plus importante importante,, on abou aboutit tit à un aspect aspect de Avec un additif ‘‘ low profile’’ mis en quantit surface surfa ce très plan identiq identique ue à celui de la tôle tôle (class A). Les principau principaux x produits produits utilisés utilisés sont sont à base de : -polyvinylacétate, - polyméth polyméthyméth yméthacryl acrylate, ate, -polystyréne, -caoutchoucs spéciaux.

 

Charges et additifs Additi itifs fs anti ult ultrav raviol iolet et Add Leur fonction est de protéger le matériau des rayons UV qui sont les plus énergétiques du spectre du rayonnement solaire. Le principe de l’agent anti-UV est d’absorber l’énergie reçue sans réémettre dans le visible. Les principaux produits utilisés sont la  benzophénone et le benzotriazol . Il faut noter également que l’introduction de certains pigments ( oxyde métallique, noir de carbone) favorise la résistance aux UV de même que l’application d’un revêtement.

 

Charges et additifs Gel coat Couche externe de résine, déposée au moulage, contenant parfois des colorants. Elle Elle amél améliore iore l'aspect, l'aspect, protège llee stratifié du milieu ambiant ambiant et peut constituer la surface finie de la pièce.

Les gel coats sont const constitués itués de mélanges thermodurc thermodurcissables. issables. Ils sont utilisés essentiellement en moulage au contact, en injection basse pre pression ssion (RT (RTM) M) et en compression compression à froid. Ils sont réalisés à partir de résines po polyesters lyesters iisophtalique sophtaliquess (pour des des strati stratifiés fiés polyesters polyesters ou vinyl vinylesters) esters) ou à partir de résine résiness époxyde (pour des stratifiés époxy ou phénolique phénoliques). s).

 

Charges et additifs Accélérateur  Substance qui, utilisée en faible proportion, augmente la vitesse de réaction d'un système chimique. L'adjonction d'accélérateur a, en général, pour but d'accroître la vitesse de décomposition du catalyseur  ou du durc durciss isseur eur (co (co-ré -réac actif tif)) m méla élangé ngé à la rés résine ine de  base. Il en résulte un accroissement important de la vitesse de gélification ou/et de durcissementt du système de résine. durcissemen

 

Charges et additifs Catalyseur Substance qui, utilisée en faible proportion, augmente la vitesse d'une réaction chimique chimi que et qui, qui, théoriq théoriquemen uement, t, reste reste chimiqueme chimiquement nt incha inchangée ngée à la fin fin d dee la réaction. Les catalyseurs sont principalement utilisés avec les matrices polyesters. Ce sont des  péroxydes organiques de formule générale R-O-O-R'. Les principaux catalyseurs pour résine polyester sont : • les hydropéro hydropéroxyde xydess d'alcoyle d'alcoyle (R-O-O-H) (R-O-O-H) : pour pour d des es moulag moulages es à températu température re élevée élevée (1 (100 00 à 15 150° 0°C) C) ; • les péroxy péroxydes des de dial dialcoy coyles les (R-O-O (R-O-O-R' -R')) po pour ur des des moul moulage agess à une tem tempér pératu ature re supéri sup érieur euree à 140°C 140°C ; • les péreste péresters rs : pou pourr des moulages moulages à une tempé température rature comp comprise rise eentre ntre 70°C et 1 130°C 30°C ; • les péroxyd péroxydes es dérivés dérivés des cétones cétones : p pour our une une température température de de mise en œ œuvre uvre co compri mprise se entre l'ambiante et 100°C.