La différence entre le PVC et le PE

Nous sommes élevés dans un monde entouré de plastiques, mais pourquoi y en a-t-il autant et quelle est la différence entre eux ? Pour un chimiste spécialiste des polymères, il existe tout un champ de matériaux passionnants, basés sur les propriétés essentielles pour un travail donné. Pour le reste du monde, le plastique n’est que du plastique. Qu’est-ce donc qu’un polymère et pourquoi parler de chimie dans cette discussion ?

Un polymère est une macromolécule composée de plusieurs unités répétitives appelées monomères, mono signifiant un. Le mélange, la réticulation et la taille des molécules déterminent le type de propriétés d’un polymère et son mode de fabrication. Les exemples de polymères sont le polyéthylène (PE), le chlorure de polyvinyle (PVC), le polypropylène (PP), le fluorure de polyvinylidène (PVDF), le caoutchouc, les encres/peintures, les adhésifs, les protéines, les acides nucléiques, et la liste n’est pas exhaustive. Le fait est que les polymères couvrent un vaste éventail de matériaux. Lorsque nous pensons aux plastiques, nous avons tendance à penser à des choses telles que les bouteilles d’eau, les Tupperware®, le film alimentaire, les rideaux de douche et les pièces détachées bon marché, et non à des polymères tels que le PE, le PP, le PVC et le PVDF. Bien que les plastiques mentionnés ci-dessus soient fabriqués à partir de polymères tels que le PE, le PP et le PVC, il existe une grande différence entre ces plastiques bon marché et les polymères performants tels que le PE, le PP et le PVC utilisés pour les tuyaux et les vannes dans les applications de plomberie industrielle. En quoi sont-ils différents ?

Les polymères se répartissent généralement en deux groupes : les thermoplastiques et les thermodurcissables. Un thermoplastique est un enchevêtrement de polymères et un thermodurcissable est un enchevêtrement de polymères réticulés entre eux. Les deux types de polymères ont leurs propres avantages et inconvénients. Par exemple, les thermoplastiques peuvent être remodelés, soudés et recyclés. Cependant, ils ont un coefficient comparatif de dilatation thermique (CTE) plus élevé et peuvent être plus sensibles aux UV et aux attaques chimiques violentes que les thermodurcissables (à l’exception des fluoropolymères tels que le PVDF et l’ECTFE). Pour cette discussion, nous allons nous concentrer sur les thermoplastiques, comme le PE, le PP et le PVC, et sur ce qui les différencie les uns des autres et de leurs cousins moins chers que nous associons tous à l’expression  » matières plastiques« .

Les thermoplastiques, comme le PE, le PP et le PVC, peuvent tous être fabriqués rapidement et à peu de frais et sont généralement mélangés à un plastifiant pour les rendre souples et durables. Comment pouvons-nous donc rendre ces polymères si résistants qu’ils puissent supporter des produits chimiques tels que l’acide sulfurique, les peroxydes, les caustiques ou l’eau de Javel ? La réponse réside dans l’utilisation de la structure du polymère pour en manipuler les propriétés. Un polymère se compose généralement de deux parties : la phase cristalline et la phase amorphe. Quel est le rôle de chaque phase et comment l’utiliser à l’avantage du polymère ?

La phase cristalline d’un polymère peut prendre de nombreuses formes, mais elle se présente généralement sous la forme d’une boule ou d’un nodule flou appelé région cristalline. Si nous regardons de plus près cette région, nous verrons qu’elle est constituée de petites cristallites. Si l’on disposait d’un microscope suffisamment puissant pour observer les cristallites, on verrait qu’elles sont constituées de polymères qui se replient sur eux-mêmes dans un ordre régulier, à la manière d’un pliage en accordéon dans une feuille de papier. Ce pliage régulier du polymère dans un sens ou dans l’autre est la clé de certaines propriétés physiques fondamentales d’un polymère.

La forme régulière signifie qu’il faut plus d’énergie pour briser le groupe cristallin, de sorte que la région cristalline peut déterminer la température de fusion du polymère (Tm). La forme régulière et serrée demande plus d’énergie pour se séparer, de sorte que la région cristalline peut également déterminer des propriétés telles que la résistance à la traction. Comme le polymère est plié sur lui-même comme un accordéon, la plus grande partie du polymère est en sécurité, repliée sur elle-même, ce qui laisse moins de sites le long de la chaîne du polymère ouverts aux attaques chimiques ou aux UV. Grâce à cette région cristalline, les polymères possèdent également des propriétés associées à la résistance chimique. Toutefois, c’est la taille, la forme et la répartition de la région cristalline dans le polymère en vrac qui déterminent le degré de solidité du polymère et sa résistance aux produits chimiques et à la chaleur. Ces attributs clés déterminent de nombreuses propriétés physiques de matériaux tels que le PE et le PP. Alors pourquoi ne pas fabriquer un polymère super solide, entièrement cristallin, capable de résister aux températures élevées et aux produits chimiques les plus nocifs ? En science des matériaux, il y a toujours des compromis à faire entre les propriétés des matériaux.

Le polymère PVC est très attiré par lui-même. Cela peut être une bonne chose car il forme des cristaux très solides, ce qui confère au PVC une grande résistance à la chaleur et aux produits chimiques, ainsi qu’une bonne résistance à la traction.

Toutefois, comme le PVC est très attiré par lui-même, ses cristaux grossissent avec le temps, ce qui peut entraîner la fissuration du polymère en vrac et le rendre cassant. Pour éviter cela, des plastifiants sont ajoutés entre les chaînes de polymères pour empêcher la formation de cristaux. Il convient de préciser qu’un matériau peut être fragile tout en présentant une résistance à la traction et une dureté élevées. La fragilité reflète la capacité du matériau à fléchir lorsqu’une force lui est appliquée sans se briser, la dureté démontre la capacité du matériau à être rayé et la résistance à la traction fait référence à la force nécessaire pour séparer un matériau. Ainsi, si la dureté et la résistance à la traction sont supérieures aux propriétés initiales du matériau, ce dernier se brise également sous l’effet de la force. Cela nous amène à l’autre propriété importante d’un polymère, la phase amorphe.

La phase amorphe est la région chaotique du polymère autour des régions cristallines. Lorsqu’une énergie thermique suffisante est introduite dans le polymère et que cette région devient mobile, on parle de température de transition du verre (Tg). L’avantage d’avoir un matériau à faible Tg où la phase amorphe est mobile à température ambiante, comme c’est le cas pour le PE et le PP, est qu’il confère une grande élasticité au matériau. C’est pourquoi vous pouvez frapper des tuyaux en PE et en PP avec une masse sans qu’ils ne se fissurent ou ne se cassent. Lorsque la phase amorphe est mobile, elle peut agir comme un ressort et absorber une grande quantité d’énergie dans le matériau sans que celui-ci ne se brise. Si l’on faisait la même chose au PVC, il se briserait en centaines de petits morceaux, car sa phase amorphe est figée sur place, comme l’indique son Tg élevé.

En manipulant la région cristalline et en utilisant la région amorphe à leur avantage, les matériaux comme le PE et le PP peuvent gagner en résistance à la traction, à la température et aux produits chimiques tout en conservant leur flexibilité.

Ces polymères performants sont idéaux pour des produits tels que Chem Proline® Advanced PE (PE100RC) ou le Proline® PP-Rles transformant de simples plastiques en matériaux polymères de haute performance.

La résistance élevée aux produits chimiques et à la chaleur conférée au PE, au PP et au PVC n’est toujours pas suffisante pour supporter les produits chimiques désagréables tels que l’acide sulfurique concentré >85%. Il existe un groupe particulier de polymères dont nous parlerons la prochaine fois, les fluoropolymères, qui peuvent résister à ce type de produits ainsi qu’à d’autres produits chimiques très réactifs et à des températures élevées. En attendant, vous pouvez en savoir plus sur la manipulation des concentrations élevées d’acide sulfurique en consultant notre bulletin technique de cette lettre d’information.

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