Elastomères

Les élastomères (caoutchoucs) sont des polymères spéciaux qui sont très élastiques. Ils sont légèrement réticulés et amorphes avec une température de transition vitreuse bien inférieure à la température ambiante. Ils peuvent être envisagés comme une très grande molécule de taille macroscopique. Les forces intermoléculaires entre les chaînes de polymères sont plutôt faibles. Les réticulations suppriment complètement l’écoulement irréversible, mais les chaînes sont très flexibles à des températures supérieures à la transition vitreuse, et une petite force entraîne une grande déformation (voir également l’élasticité du caoutchouc).1 Ainsi, les élastomères ont un faible module d’Young et un allongement à la rupture très élevé par rapport aux autres polymères. Le terme élastomère est souvent utilisé de manière interchangeable avec le terme caoutchouc, bien que ce dernier soit préféré pour désigner les caoutchoucs vulcanisés.

Les élastomères peuvent être classés en trois grands groupes : les élastomères diéniques, non diéniques et thermoplastiques. Les élastomères diéniques sont polymérisés à partir de monomères contenant deux doubles liaisons séquentielles. Les exemples typiques sont le polyisoprène, le polybutadiène et le polychloroprène. Les élastomères non diéniques comprennent le caoutchouc butyle (polyisobutylène), les polysiloxanes (caoutchouc de silicone), le polyuréthane (spandex) et les élastomères fluorés. Les élastomères non diéniques n’ont pas de doubles liaisons dans leur structure et, par conséquent, la réticulation nécessite d’autres méthodes que la vulcanisation, telles que l’ajout de monomères trifonctionnels (polymères de condensation), l’ajout de monomères divinyliques (polymérisation radicalaire) ou la copolymérisation avec de petites quantités de monomères diéniques comme le butadiène. Les élastomères thermoplastiques tels que les copolymères séquencés SIS et SBS et certains uréthanes sont thermoplastiques et contiennent des unités répétitives rigides (dures) et souples (caoutchouteuses). Lorsqu’ils sont refroidis de l’état fondu à une température inférieure à la température de transition vitreuse, les blocs durs se séparent en phase pour former des domaines rigides qui agissent comme des réticulations physiques pour les blocs élastomères.

La fabrication de pièces élastomères est réalisée de l’une des trois manières suivantes : moulage par injection, moulage par transfert ou moulage par compression. Le choix du procédé de moulage dépend de divers facteurs, notamment la forme et la taille des pièces, la tolérance requise, ainsi que la quantité, le type d’élastomère et le coût des matières premières.

Comme pour presque tous les matériaux, la sélection du produit élastomère adapté à l’application nécessite la prise en compte de nombreux facteurs, notamment les exigences de service mécanique et physique, l’exposition aux produits chimiques, la température de fonctionnement, la durée de vie, la fabricabilité des pièces et le coût des matières premières et de la fabrication.

Résistance à la chaleur

La performance d’un élastomère devient moins prévisible et moins fiable lorsqu’il est utilisé près des limites de sa plage de température de service. Si, par exemple, la température baisse, les élastomères deviennent plus durs et moins flexibles et lorsque la température atteint la température de transition vitreuse, ils perdent entièrement leurs propriétés caoutchouteuses. À des températures encore plus basses, c’est-à-dire au point de fragilité, ils peuvent se fissurer. Les modifications des propriétés de l’élastomère dues à une basse température sont généralement physiques et entièrement réversibles, à moins que la pièce élastomère ne soit exposée à de fortes tensions susceptibles de provoquer des dommages en dessous de la température de fragilité ou de transition vitreuse. Le contraire est vrai lorsqu’un élastomère est exposé à des températures élevées, c’est-à-dire à des températures proches ou supérieures à la limite de la température de service. À ces températures, les élastomères subissent souvent des modifications chimiques irréversibles. Par exemple, le squelette du polymère peut subir une scission de la chaîne ou les molécules de polymère peuvent se réticuler, ce qui fait que la partie élastomère devient soit (beaucoup) plus souple, soit plus rigide, ce qui, à son tour, réduit leur résistance à la déformation rémanente par compression.

La température de service maximale peut varier considérablement d’un élastomère à l’autre. Les températures de service continu les plus élevées ont effectivement les élastomères de silicone et de fluorocarbone qui peuvent dépasser 400°F (230°C)2, suivis par les élastomères polyacryliques et les nitriles hydrogénés dont la température de service maximale se situe entre 320 et 350°F (160 – 180°C), tandis que les élastomères plus ordinaires tels que le néoprène et le nitrile ont une température de service maximale comprise entre 210 et 250°F (100 – 120°C).

Compatibilité des fluides

Un fort gonflement et une détérioration rapide ou une rupture complète d’une pièce en élastomère peuvent se produire si l’élastomère n’est pas compatible avec le fluide auquel il est exposé. Des facteurs tels que la concentration chimique, la température de fonctionnement et la pression affectent la stabilité / compatibilité avec les produits chimiques. En cas de doute, l’élastomère doit être évalué lors de tests fonctionnels avant utilisation.

Parce que de nombreuses applications impliquent des huiles hydrocarbonées, les pièces en élastomère telles que les joints sont classées en fonction de leur résistance à la chaleur et à l’huile. Par exemple, dans le système ASTM D2000,les élastomères sont classés par résistance à la chaleur (type) et par résistance à l’huile (classe). Les élastomères fluorosilicone et fluorocarbonés présentent une excellente résistance à l’huile à des températures élevées (> 200°C). D’autres élastomères présentant une bonne résistance à l’huile mais seulement une résistance moyenne à la chaleur comprennent le NBR, l’ACM et le HNBR. Dans le cas de l’ACM et du HNBR, la température de fonctionnement dans les huiles hydrocarbonées ne doit pas dépasser 150°C et dans le cas du NBR 100°C. Les élastomères de silicone et de néoprène n’ont qu’une résistance moyenne à l’huile. Cependant, les élastomères de silicone peuvent être utilisés à des températures beaucoup plus élevées que le néoprène. Une mauvaise résistance à l’huile est à prévoir pour les élastomères à base d’EPDM, de SBR, de butyle (IIR, CIIR, BIIR) et de caoutchouc naturel (NR, IR).

Résistance à l’abrasion et à la déchirure

La résistance à l’abrasion est généralement un critère de sélection important pour les applications de joints dynamiques et de pneus des élastomères, tandis qu’une bonne résistance à la déchirure peut êtreimportante pour d’autres applications mécaniques où les élastomères doivent résister à l’entaille, à la coupe et à la déchirure.Les élastomères tels que le nitrile hydrogéné (HNBR), le polyester (AU) et les polyéther uréthanes (EU), le caoutchouc isoprène (NR/IR), le caoutchouc styrène-butadiène (SBR) et les copolymères tétrafluoroéthylène-propylène ont une résistance inhérente à l’abrasion, tandis que les élastomères de silicone (VMQ), de butyle (IIR) et de perfluoro (FFKM) ont une faible résistance à l’abrasion. Dans de nombreux cas, la résistance à l’abrasion et à la déchirure peut être améliorée en ajoutant des lubrifiants internes tels que le Teflon® ou le bisulfure de molybdène. Les élastomères nitrile et et acrylique ont une résistance à l’abrasion passable.Toutefois, le nitrile carboxylé (XNBR) offre une résistance à l’abrasion sensiblement meilleure.

La plupart des élastomères ayant une bonne résistance à l’abrasion ont également une bonne résistance à la déchirure et les élastomères ayant une mauvaise résistance à l’abrasion ont généralement une mauvaise résistance à la déchirure. Par exemple, le silicone et le fluorosilicone ne conviennent qu’aux applications statiques en raison de leur mauvaise résistance à la déchirure et à l’abrasion.

Prix

Le coût est l’un des critères de sélection les plus importants. En supposant que plus d’un élastomère réponde à toutes les autres exigences pour une application donnée, le prix dictera généralement le choix de l’élastomère. Les prix des élastomères peuvent varier considérablement en raison des différences de coûts des matières premières, du compoundage et du traitement. Les élastomères bon marché sont les caoutchoucs styrène-butadiène (SBR) < caoutchouc naturel (NR) < isoprène (IR) < néoprène (CR) < nitrile (NBR), alors que l’EPDM < uréthane < silicone < polyacrylate (ACM) < butyle (IIR) < nitrile hydrogéné (HNBR) sont un peu plus chers mais restent souvent un choix économique. Les élastomères coûteux sont les fluorocarbures (FKM) (copolymères) < perfluorocarbures (FFKM) < fluorosilicones (FVMQ). Ces élastomères ne sont généralement choisis que si aucun autre élastomère ne peut répondre aux exigences.

Notes

1. Les élastomères sont souvent décrits comme des matériaux viscoélastiques (voir par exemple Wikipedia). Cependant, l’écoulement visqueux n’est pas souhaité, c’est-à-dire qu’un « véritable » élastomère doit toujours revenir à ses dimensions non déformées après le retrait d’une force appliquée, c’est-à-dire qu’aucune déformation permanente notable ne doit être observée lorsqu’un élastomère est étiré en dessous de sa limite élastique, puis détendu.
2. Certains grades peuvent peut-être convenir à une utilisation continue à des températures encore plus élevées (>600°F ou > 315°C).