Pourquoi certains plastiques durent-ils longtemps, tandis que d'autres vieillissent et se fissurent rapidement, alors qu'il s'agit de matières plastiques ? (1)
Pourquoi certains plastiques durent-ils longtemps, tandis que d'autres vieillissent et se fissurent rapidement, alors qu'il s'agit de matières plastiques ?
Le plastique est sans doute l'un des matériaux avec lesquels nous sommes en contact quotidiennement. Bouteilles d'eau minérale, emballages alimentaires à emporter, coques de téléphone, boîtiers de prises électriques, gaines de câbles, intérieurs de voitures, boîtiers d'appareils électroménagers, joints, tuyaux et films d'emballage : le plastique est omniprésent. Pourtant, beaucoup de gens n'ont pas une opinion très favorable à son égard.
En ce qui concerne les plastiques, l'opinion générale est la suivante : bon marché, fragiles, ils ont tendance à devenir cassants avec le temps et sont sensibles au vieillissement sous l'effet du soleil. Certains jaunissent même, deviennent collants et dégagent des odeurs désagréables.
Ces phénomènes existent bel et bien. Cependant, il serait simpliste d'affirmer que « tous les plastiques manquent de durabilité ». Le plastique ne désigne pas un matériau unique, mais une vaste famille de matériaux. Les différences entre les divers plastiques sont bien plus importantes qu'on ne le pense. Bien que tous soient désignés comme des plastiques, certains sont conçus pour les emballages à usage unique, d'autres pour les composants automobiles, d'autres encore pour les engrenages et les roulements, pour les dispositifs médicaux, et certains peuvent même fonctionner durablement dans des environnements caractérisés par des températures élevées, une forte corrosion et des exigences en matière d'isolation électrique.
La véritable question n’est donc pas de savoir si le plastique est durable, mais plutôt :
Quel type de plastique est utilisé ?
A-t-il été modifié par l'ajout d'additifs ?
Le processus de fabrication est-il approprié ?
L'environnement d'exploitation dépasse-t-il les limites de performance du matériau ?
Dans cet article, nous commencerons par cette question : pourquoi certains plastiques sont-ils très résistants, tandis que d’autres vieillissent et se fissurent rapidement ?
I. Le plastique n'est pas un matériau unique, mais toute une famille de matériaux.
Dans la vie courante, on a tendance à désigner de nombreux objets simplement par le terme « plastique ». En science des matériaux, cependant, le terme « plastique » recouvre une grande variété de types distincts.
PE (Polyéthylène) : couramment utilisé pour les films, les bouchons de bouteilles, les tuyaux et les matériaux d'emballage.
PP (polypropylène) : largement utilisé dans les contenants alimentaires, les composants d'appareils électroménagers, les pièces automobiles et les articles de première nécessité.
PVC (polychlorure de vinyle) : généralement utilisé pour les tuyaux, les gaines de câbles, les revêtements de sol et les profilés.
ABS : utilisé pour les boîtiers d'appareils électroménagers, les jouets et les pièces intérieures automobiles.
PC (Polycarbonate) : présente une excellente transparence et une haute résistance aux chocs, convient aux composants transparents et aux pièces de protection.
PA (Polyamide, également connu sous le nom de Nylon) : possède une bonne résistance et une bonne résistance à l'usure, fréquemment utilisé pour les engrenages, les roulements et les composants mécaniques.
POM (Polyoxyméthylène) : offre une rigidité et une résistance à l'usure élevées, idéal pour les pièces de transmission de précision.
TPU (élastomère de polyuréthane thermoplastique) : flexible et résistant à l'abrasion, largement utilisé pour les coques de téléphone, les matériaux de chaussures, les câbles et les tuyaux flexibles.
Le grand public désigne communément tous ces matériaux par le terme générique de « plastique », pourtant leurs propriétés varient considérablement. Certains sont souples, d'autres rigides. Certains résistent aux basses températures, d'autres aux hautes. Certains sont transparents, d'autres opaques. Certains sont résistants à l'huile, d'autres sensibles aux solvants. Certains conviennent à un usage intérieur, d'autres peuvent être utilisés à l'extérieur pendant de longues périodes.
Par conséquent, pour déterminer si un composant en plastique est fiable, la première étape n'est pas de vérifier s'il est en plastique, mais d'identifier précisément le type de plastique dont il est fait et le scénario d'application dans lequel il sera utilisé.
II. Pourquoi les plastiques vieillissent-ils ?
Le vieillissement des plastiques désigne essentiellement les modifications de la structure du matériau au cours de son utilisation. Ces modifications peuvent être déclenchées par la lumière, la chaleur, l'oxygène, l'humidité, les produits chimiques, les contraintes mécaniques, et peuvent également provenir des conditions de transformation et de la formulation. Après vieillissement, les plastiques peuvent présenter les phénomènes suivants : fragilisation et fissuration, jaunissement, farinage, adhérence, durcissement, ramollissement, perte de résistance, ternissement de la surface et déformation dimensionnelle. Les causes profondes de ces symptômes ne sont pas identiques.
1. La lumière du soleil et les rayons UV provoquent la fragilisation des plastiques.
De nombreuses pièces en plastique destinées à un usage extérieur sont sensibles à une exposition prolongée au soleil. Le rayonnement ultraviolet solaire accélère les réactions de photo-oxydation dans certains polymères, provoquant la rupture des chaînes moléculaires et des modifications structurelles. Les manifestations visibles incluent la décoloration, le jaunissement, le farinage de surface et une diminution de la résistance, pouvant à terme entraîner une fragilisation et des fissures.
Cela explique pourquoi les seaux en plastique, les chaises en plastique et les gaines extérieures des câbles d'extérieur peuvent bien fonctionner à l'intérieur pendant des années, mais deviennent sensiblement cassants après une période d'exposition à l'extérieur.
Pour les applications extérieures, il convient généralement de tenir compte de facteurs tels que le degré de résistance aux intempéries, le système anti-UV, le noir de carbone, les stabilisateurs de lumière, les antioxydants ou les revêtements de surface. Tous les plastiques ne sont pas intrinsèquement adaptés à une utilisation extérieure prolongée.
2. Les températures élevées accélèrent l'oxydation et la dégradation des performances
Les plastiques sont sensibles à la température. Certains présentent d'excellentes performances à température ambiante, mais un vieillissement thermo-oxydatif se produit en cas d'exposition prolongée à des températures élevées. Par exemple, les zones proches des moteurs, des bouches de chauffage, des pièces dégageant de la chaleur des appareils électriques et les habitacles de voiture exposés à la lumière directe du soleil peuvent atteindre des températures bien supérieures à celles des environnements intérieurs classiques.
Avec l'élévation de la température, le vieillissement des matériaux s'accélère et leur stabilité dimensionnelle, leur résistance et leur ténacité peuvent se détériorer. Par conséquent, la viabilité d'un composant en plastique dépend non seulement de sa capacité à résister brièvement à de telles températures, mais aussi de sa capacité à conserver ses propriétés à long terme sous ces températures. Ce point est souvent négligé par les nouveaux venus dans le domaine.
3. La concentration des contraintes déclenche une fissuration prématurée
La fissuration de certaines pièces en plastique n'est pas uniquement due à la qualité du matériau de base, mais aussi à des risques cachés liés à la conception et à la fabrication. En voici quelques exemples :
angles vifs excessifs,
transitions abruptes d'épaisseur de paroi,
bossages de vis mal conçus,
verrous sous charge soutenue,
contrainte interne résiduelle élevée due au moulage par injection,
compression forcée lors de l'assemblage,
flexion ou vibration à long terme.
Des concentrations de contraintes se forment à ces endroits. Aucun défaut n'est visible immédiatement après la production, mais des fissures s'amorcent et se propagent à partir de ces zones fragiles après une période d'utilisation.
Par conséquent, la fissuration des composants en plastique ne peut pas toujours être simplement attribuée à une mauvaise qualité des matériaux. Elle peut résulter de la combinaison du choix des matériaux, de la structure, de la conception du moule, du moulage par injection et des procédés d'assemblage.
4. L'exposition à des produits chimiques peut également provoquer des fissures.
Beaucoup pensent que les plastiques sont résistants à l'eau et à la corrosion. C'est en partie vrai. Leur résistance chimique varie considérablement. Certains plastiques sont sensibles à l'alcool, d'autres aux huiles, aux produits de nettoyage, aux solvants, et d'autres encore aux acides et aux bases. Certains plastiques sont vulnérables lorsqu'ils sont exposés simultanément à des contraintes et à des produits chimiques.
Par exemple, une pièce en plastique transparent peut paraître robuste dans des conditions normales. Cependant, un contact prolongé avec de l'alcool, des produits de nettoyage, de la graisse ou certains solvants, combiné à des contraintes internes, peut provoquer l'apparition de microfissures. Ce phénomène est communément appelé fissuration sous contrainte environnementale. Il se caractérise par des fissures se développant progressivement en conditions d'utilisation, sans impact extérieur significatif.
Par conséquent, lors de l'évaluation de la durabilité des plastiques, il ne suffit pas de considérer leur résistance mécanique ; il faut également tenir compte du milieu avec lequel ils sont en contact.
5. L'eau et la chaleur humide peuvent également affecter certains plastiques.
Certains plastiques sont sensibles à l'eau et à la chaleur humide. Par exemple, le nylon absorbe facilement l'humidité, ce qui peut entraîner des modifications de ses dimensions, de sa résistance, de sa rigidité et de ses propriétés électriques. Des matériaux comme le polyester et le polycarbonate sont également susceptibles de s'hydrolyser sous l'effet de températures et d'humidité élevées ou de conditions de transformation inappropriées.
Cela ne signifie pas que ces matériaux sont de mauvaise qualité ; ils ont simplement leurs limites d'utilisation. Lors du choix des matériaux, il est essentiel de déterminer si le composant sera en contact avec l'eau, s'il sera utilisé à long terme dans des environnements à forte humidité, si la stabilité dimensionnelle est requise et si l'isolation électrique est un critère important. Pour un même type de matériau, le comportement peut être totalement différent selon qu'il est utilisé dans un environnement intérieur sec ou dans des conditions extérieures chaudes et humides.
