Thermoplastiques vs Thermodurcissables : décomposer les différences

Les thermoplastiques et les thermodurcissables sont deux principaux types de plastiques couramment utilisés dans diverses industries. Bien qu'ils partagent certaines similitudes en tant que polymères organiques, les thermoplastiques et les thermodurcissables présentent des différences clés dans leur structure moléculaire et leurs propriétés qui déterminent la manière dont ils peuvent être utilisés.

Cet article vous aidera à comprendre les différences entre les thermoplastiques et les thermodurcissables afin de vous aider à comprendre leurs différentes caractéristiques et applications.

Présentation des thermoplastiques et des thermodurcissables

Les deux principales catégories de matériaux polymères utilisés dans la fabrication sont les thermodurcissables et les thermoplastiques.

Voici une brève définition des deux matériaux :

• Les thermoplastiques sont des polymères qui deviennent souples ou moulables au-dessus d'une température spécifique et se solidifient lors du refroidissement. Vous pouvez les réchauffer et les remodeler encore et encore sans altérer leur structure chimique.
• Les thermodurcissables sont des matériaux polymères qui durcissent ou durcissent de manière irréversible grâce à la formation de réseaux réticulés.

Différences entre thermodurcissable et thermoplastique :

Quelques propriétés clés qui diffèrent :

• Les thermoplastiques peuvent être durcis et ramollis à plusieurs reprises lorsqu'ils sont chauffés, tandis que les thermodurcissables subissent un durcissement permanent après leur formage initial.
• Les thermoplastiques ont des températures de fusion plus basses que les températures de dégradation des thermodurcissables.
• Les thermodurcissables ont généralement une résistance mécanique, une dureté et une stabilité thermique plus élevées.

Voici quelques exemples de thermoplastique

• Acrylique
• Nylon
• Acétal Copolymère Polyoxyméthylène
• Acétal homopolymère polyoxyméthylène
• Polycarbonate (PC)
• Polyéthylène (PE)
• Polystyrène (PS)
• Polypropylène (PP)
• Chlorure de polyvinyle (PVC)
• Polyéthylène téréphtalate (PET)
• Téflon

Les plastiques thermodurcis sont utilisés dans les industries car ils assurent l'intégrité structurelle et sont plus économiques. Voici quelques exemples de plastique thermodurci :

• Phénoliques
• Silicone
• Mélamine
• Époxy
• Fluorure de polyvinylidène (PVDF)
• Polytétrafluoroéthylène (PTFE)
• Polyuréthane
• Polyimide

Dans la fabrication, les thermoplastiques se prêtent à des processus tels que le moulage par injection, tandis que les thermodurcissables nécessitent une imprégnation de renforts et un durcissement contrôlé. Les composites peuvent être fabriqués à partir de matrices polymères thermoplastiques et thermodurcies. Les exemples sont les plastiques renforcés de fibres de carbone (CFRP) et les composites à matrice céramique (CMC) comme le C/C-SiC.

Propriétés chimiques et structure

Chaînes polymères et réticulation 

Les thermoplastiques sont des chaînes linéaires de molécules, généralement à base de carbone, comme le polyéthylène et le nylon. Faciles à remodeler, ils sont flexibles car ils manquent de liens solides entre les chaînes. Cependant, les molécules des thermodurcissables sont réticulées, créant ainsi un réseau complexe. Les matériaux comme l'époxy, le silicone et le phénolique ont cette structure en forme de maillage, ce qui les rend difficiles à remodeler une fois durcis.

• Thermoplastiques : Linéaires, sans réticulation (par exemple, Polycarbonate, Acrylique)
• Thermodurcissables : réseaux réticulés et entrecroisés (par exemple, époxy, polyuréthane)

Résistance chimique

Si vous êtes confronté à des produits chimiques, vous voulez savoir ce qui résistera. Le choix du polymère est essentiel. Les thermoplastiques comme le polypropylène peuvent résister sans problème à de nombreux produits chimiques, mais ils peuvent s'affaiblir avec certains solvants. Les thermodurcissables, grâce à leur structure robuste, en ressortent un peu plus résistants – des matériaux comme l’époxy et le phénolique résistent à un spectre plus large de substances chimiques grâce à cette réticulation embêtante.

• Résistance chimique:
  • Thermoplastiques : Bon à excellent (varie selon le matériau, par exemple nylon, acrylique)
  • Thermodurcissables : généralement excellents (par exemple, silicone, polyuréthane)

Processus de fabrication et de moulage

Lorsque vous devez fabriquer des produits thermoplastiques et thermodurcissables, il existe différentes techniques de transformation en :

• Thermoplastiques : chauffés pour les rendre souples pour des processus tels que le moulage par injection et l'extrusion.
• Thermodurcissables : imprégnés dans les renforts et soumis à des réactions de durcissement contrôlées.

Moulage par injection et extrusion

Lorsqu'il s'agit de thermoplastiques, des techniques telles que le moulage par injection et l'extrusion sont les méthodes de prédilection. Dans le moulage par injection, le plastique thermodurci est fondu et injecté dans un moule sous haute pression. C'est un processus rapide, idéal pour fabriquer de grandes quantités d'articles identiques. Pour l’extrusion, le plastique est poussé à travers une filière pour créer des formes longues et continues.

Caractéristiques clés du processus :

• Les granulés thermoplastiques sont introduits dans un baril chauffé et forcés dans une cavité de moule sous pression.
• Des problèmes peuvent survenir en raison de la direction du flux et de la formation de lignes de soudure.
• Les thermoplastiques cristallins comme le polyéthylène (PE) sont plus sensibles que les thermoplastiques amorphes comme le polystyrène (PS).

Processus de durcissement

Le durcissement est essentiel lorsque vous travaillez avec des plastiques thermodurcissables. Vous appliquez de la chaleur ou une réaction chimique, et le matériau change de façon permanente : il ne peut pas être remodelé une fois durci. Ce processus permet aux thermodurcis comme le polyimide de se solidifier en articles solides et durables comme des isolants ou des adhésifs. Le durcissement les rend résistants aux températures élevées et aux produits chimiques, ils sont donc souvent utilisés dans des environnements difficiles.

Infiltration de silicium liquide

D'après les résultats de la recherche, l'infiltration de silicium liquide (LSI) est un procédé utilisé pour fabriquer des composites à matrice céramique, en particulier des composites C/C-SiC (carbone-carbone carbure de silicium). Les points clés concernant l’infiltration de silicium liquide (LSI) provenant des sources sont :

• Il s'agit d'infiltrer une préforme poreuse en carbone avec du silicium fondu au-dessus du point de fusion du silicium (1414°C). 
• Le silicium fondu réagit avec le carbone pour former du carbure de silicium (SiC), créant ainsi un composite à matrice SiC.
• Il s'agit d'un moyen efficace et rentable de fabriquer des composites à matrice SiC par rapport à d'autres procédés tels que l'infiltration de vapeurs chimiques.
• Les paramètres du processus tels que la température, le niveau de vide et la pression du gaz inerte peuvent être contrôlés pour optimiser l'infiltration.
• La microstructure poreuse de la préforme en carbone affecte l'intégralité de l'infiltration et de la réaction
• Les composites fabriqués par LSI ont une stabilité thermique élevée, une conductivité thermique et d'autres propriétés améliorées

En résumé, l'infiltration de silicium liquide (LSI) est un processus de fabrication spécialisé permettant de créer des composites à matrice céramique C/C-SiC utilisant l'infiltration de silicium fondu et la réaction avec le carbone.

Transfert de résine et moulage par injection-réaction 

Si vous utilisez des plastiques thermodurcis, vous pouvez utiliser le moulage par transfert de résine (RTM) : c'est comme une version plus sophistiquée du moulage par injection, utilisant des préformes. Le moulage par injection-réaction (RIM) est une autre technique pour les thermodurcissables, mélangeant deux composants liquides pour réagir et durcir à l'intérieur du moule. Les deux méthodes permettent d’obtenir des pièces solides aux formes complexes, que l’on retrouve souvent dans les applications automobiles et aérospatiales.

Propriétés et performances des matériaux

Les thermoplastiques et les thermodurcissables diffèrent considérablement par leurs propriétés et leurs caractéristiques de performance :

 Propriétés mécaniques

• Résistance – Les thermodurcissables offrent généralement une résistance et une durabilité supérieures à celles des thermoplastiques. Ils sont souvent utilisés dans des applications exigeantes où les matériaux doivent résister à des contraintes élevées sans se déformer. Parallèlement, les thermoplastiques comme le polypropylène présentent un rapport résistance/poids élevé, ce qui les rend suffisamment solides pour de nombreuses utilisations tout en étant légers.

Élasticité et flexibilité

Les thermoplastiques sont généralement plus flexibles et élastiques que les thermodurcissables. Par exemple, les thermoplastiques tels que le polystyrène peuvent se plier et s'étirer, ce qui les rend idéaux pour les produits qui nécessitent une certaine souplesse. Cette élasticité est due à leurs points de fusion plus bas, qui permettent de les réchauffer et de les remodeler selon les besoins.

Stabilité dimensionnelle et tolérance

Les thermodurcis excellent en termes de stabilité dimensionnelle : vous ne les verrez pas changer facilement de forme ou de dimensions sous l'effet de la chaleur ou pendant le durcissement. Leur structure une fois fixée est solide comme le roc. Pour les pièces de précision où les tolérances sont serrées, cela constitue un énorme avantage. Les thermoplastiques ont également une bonne stabilité dimensionnelle, mais ils peuvent se déformer s'ils ne sont pas traités correctement.

Comportement au retrait et au fluage

Vous remarquerez que les thermoplastiques ont tendance à rétrécir quelque peu à mesure qu'ils refroidissent suite aux processus de moulage. En revanche, les thermodurcissables présentent un retrait minimal grâce à leur structure réticulée. À long terme, les thermoplastiques peuvent fluer ou se déformer sous une contrainte constante, tandis que les thermodurcissables conservent fermement leur forme, leur conférant ainsi une meilleure résistance aux chocs dans le temps.

Effets de la microstructure

• La cristallinité a un impact sur les propriétés des thermoplastiques semi-cristallins
• La densité de réticulation affecte la stabilité thermique des thermodurcissables
• La porosité et les défauts dégradent les performances mécaniques

Comportement à haute température

• La plupart des thermoplastiques ramollissent à une température proche de 150-200°C
• Les thermodurcis conservent leurs propriétés jusqu'à 300-400°C
• Résistance à l'oxydation et à la corrosion importante

 Recyclage et durabilité

• Les thermoplastiques sont recyclables
• Les thermodurcis forment des réseaux réticulés et ne peuvent être retraités

Applications et utilisation industrielle

Les thermoplastiques et les thermodurcissables sont utilisés dans diverses industries en raison des différences dans leurs propriétés et leurs coûts économiques :

Applications sectorielles

Quelques grands domaines d’application :

• Automobile : pièces intérieures, composants sous le capot
• Aéronautique : structures de cellule, composants de moteur
• Construction : Tuyaux, revêtements, adhésifs
• Electronique : Cartes de circuits imprimés, connecteurs

 Composites et précurseurs

• Composites C/C-SiC fabriqués à partir de résine phénolique et d'autres thermodurcissables comme précurseurs
• Plastiques renforcés de fibres de carbone et de fibres de verre utilisant des matrices époxy

Économie des coûts

Alors que les thermoplastiques ont des coûts de matières premières plus élevés, le traitement des thermodurcissables peut être plus complexe et plus coûteux. L'analyse des coûts du cycle de vie est importante pour déterminer le choix optimal des matériaux.

Tendances actuelles de la recherche sur les plastiques thermodurcis et les thermoplastiques

Les recherches en cours visent à améliorer encore les thermoplastiques et les plastiques thermodurcis, ainsi qu'à comparer leur potentiel pour différentes applications :

Développement de précurseurs thermodurcissables

• Évaluation de nouvelles résines phénoliques et d'autres polymères en tant que précurseurs de fibres de carbone et de carbone-carbone (C/C)
• Adaptation des propriétés des précurseurs pour des performances composites optimisées

Améliorations de la méthode de traitement

• Optimisation des paramètres de moulage par injection pour minimiser les défauts des lignes de soudure
• Développer des techniques de fabrication additive à grande vitesse et de précision

Relations microstructure-propriété

• Élucider les liens entre la cristallinité, la densité de réticulation et les propriétés mécaniques ultimes
• Stratégies pour réduire la porosité et améliorer la résistance interfaciale

Évaluation comparative

• Analyses technico-économiques pour déterminer le choix optimal des matériaux
• Modèles d'évaluation du cycle de vie prenant en compte les mesures de durabilité
• Matrices de décision classant les matériaux en fonction de critères clés

Perspectives d’avenir des thermoplastiques et des plastiques thermodurcissables ?

Les progrès continus dans les matériaux et la fabrication façonneront le futur paysage des thermoplastiques et des thermodurcissables :

Précurseurs thermoplastiques

• Nouveaux précurseurs thermoplastiques pour la fabrication de composites
• Tirer parti de la recyclabilité tout en conservant des performances mécaniques élevées

Systèmes hybrides

• Mélanges et composites pour optimiser les propriétés
• Les exemples incluent les époxy thermoplastiques renforcés

La fabrication additive

• Impression 3D à grande vitesse de pièces thermoplastiques d'utilisation finale
• Surmonte les limites de la complexité géométrique

Traitement durable

• Transition vers une production biosourcée et réduisant les émissions de CO2
• Adoption des principes de l’Industrie 4.0

Dans l’ensemble, l’utilisation synergique des thermoplastiques et des thermodurcissables permettra de développer des systèmes techniques performants et durables.

En résumé, les thermoplastiques et les thermodurcis diffèrent considérablement dans la manière dont ils sont formés et dans la manière dont ils réagissent à la chaleur. Les thermoplastiques peuvent être ramollis à plusieurs reprises par la chaleur et durcis par refroidissement, ce qui leur permet d'être remodelés et recyclés plus facilement. Les thermodurcis, quant à eux, subissent une réaction chimique irréversible une fois durcis, ce qui signifie qu'ils conservent leur forme de manière permanente mais ne peuvent pas être refondus ou remoulés. Connaître les propriétés des thermoplastiques par rapport aux thermodurcissables est important pour que les ingénieurs et les fabricants puissent sélectionner le matériau plastique approprié pour les différentes exigences des produits et considérations de fin de vie.