Est-il rempli de verre ou renforcé de verre ?

Il y a quelques mois, j'ai écrit un article comparant les propriétés de l'homopolymère et du copolymère acétal. Dans cet article, j'ai mentionné que la fibre de verre pouvait être « couplée » (liée) à un copolymère d'acétal mais pas à un homopolymère ; et qu'en conséquence, les avantages de mettre de la fibre de verre dans le copolymère étaient plus importants. Eh bien, en fait, alors que je n'y prêtais pas attention, l'un des principaux fournisseurs d'homopolymères d'acétal a introduit quelques homopolymères d'acétal renforcés de verre.

REMPLI VS. ACÉTAL RENFORCÉ

Le tableau 1 montre le profil des propriétés de l'homopolymère d'acétal non chargé avec la qualité typique chargée de verre à 20 % et les nouvelles qualités contenant 10 % et 25 % de verre où la fibre est couplée à la matrice polymère. Les différences de résistance sont assez apparentes et cela constitue un excellent exemple de la différence entre un matériau chargé de verre et un matériau renforcé de verre. Cela mérite d'être discuté en détail car cette distinction existe également pour certains autres polymères.

Cela commence par la fibre. Ceux-ci offrent des améliorations de performances plus importantes que les charges typiques, car ils ont ce qu'on appelle un rapport hauteur/largeur. Dans les fibres, c'est le rapport de la longueur au diamètre. Plus le rapport hauteur/largeur est élevé, meilleure est l'amélioration des propriétés. L'introduction des renforts à fibres longues dans les années 1980 a été conçue pour capitaliser sur ce principe en augmentant la longueur de fibre de départ dans les granulés de 2-3 mm à 11-12 mm.

Les matériaux à fibres longues avec des longueurs de fibres allant jusqu'à 6 mm (1/4 po) étaient en fait proposés avant l'introduction des composés de verre long modernes, mais les nouveaux composés ont été fabriqués de manière à maximiser le «mouillage» ou la surface contact entre le polymère et les fibres de verre individuelles. L'autre façon d'améliorer le rapport hauteur/largeur est d'utiliser des fibres avec des longueurs typiques mais des diamètres plus petits, appelées moustaches.

Les surfaces des fibres de verre utilisées dans le mélange de polymères sont généralement traitées ou dimensionnées pour améliorer l'adhérence du polymère au verre. Différentes tailles sont optimales pour différents polymères. Mais dans certains cas, même un bon ensimage n'est pas suffisant pour produire une liaison optimale entre le polymère et la fibre. Cette liaison est importante car les fibres de verre ajoutent de la résistance en gérant la contrainte sur le matériau lorsque le polymère commence à subir une surcharge mécanique. Les fibres sont plus résistantes que la matrice polymère et elles augmentent par conséquent la résistance de l'ensemble du composé. Cependant, si la liaison entre le polymère et la fibre de verre est faible, le transfert de la charge n'est pas efficace et les avantages du verre ne sont pas réalisés.

Si la fibre de verre est simplement ajoutée au polymère sans une bonne liaison, le matériau est rempli de verre. Si la liaison entre les phases est optimale, le matériau est renforcé de verre. La différence, comme le montre le tableau 1, est significative.

Notez que bien que la résistance de l'acétal chargé de verre soit inférieure à celle du matériau non chargé, les matériaux renforcés sont toujours plus résistants. En fait, une nuance renforcée à 10 % de verre est plus de 35 % plus résistante et presque aussi rigide que la nuance chargée à 20 % de verre, tout en réduisant le poids de 5 %. C'est un excellent exemple d'une utilisation plus efficace des mêmes ingrédients pour obtenir un meilleur résultat final.

PROGRES DU COUPLAGE CHIMIQUE

Le polypropylène est un autre polymère où le processus d'ajout de fibre de verre a subi une évolution. Les matériaux d'origine étaient simplement remplis de verre. Le PP est un polymère non polaire et rien ne s'y colle, y compris les fibres de verre. Mais à la fin des années 1970 et au début des années 1980, certains fournisseurs ont commencé à travailler avec un processus connu sous le nom de couplage chimique. Cela impliquait de faire de petits ajustements à la chimie du squelette en polypropylène pour introduire la polarité. Cette polarité a amélioré la liaison entre le polymère et les fibres de verre, produisant le type d'amélioration des propriétés indiqué dans le tableau 2.

Ce développement a créé un nouveau marché pour le PP en tant que matériau qui pourrait concurrencer certains thermoplastiques techniques. Alors que les utilisateurs finaux poussaient ce potentiel à ses limites, les améliorations du couplage chimique ont produit des améliorations supplémentaires. Ces améliorations n'étaient pas nécessairement apparentes sur la fiche technique, mais elles ont produit de meilleures performances dans les applications à long terme impliquant des mécanismes tels que la fatigue et le fluage. Une augmentation de 10 % de la résistance et de la rigidité peut ne pas attirer l'attention de tout le monde, mais une amélioration de cette ampleur des propriétés à court terme peut doubler la durée de vie d'un produit.

Le PVC a subi un ensemble d'améliorations similaires, la technologie de couplage augmentant les performances des matériaux renforcés de verre par rapport aux matériaux remplis de verre.

Les performances à long terme dans certains environnements peuvent également être améliorées en modifiant la manière dont le polymère et la fibre de verre sont couplés. Les composés PPS sont presque toujours vendus avec des charges importantes de fibre de verre. L'un des avantages du PPS est qu'il a une excellente résistance chimique et que l'un des produits chimiques auxquels il résiste très bien est l'eau chaude, même si l'eau est chlorée. De nombreux autres matériaux d'ingénierie tels que l'acétal, le nylon et les polyesters thermoplastiques s'hydrolysent dans des environnements chauds et humides, tandis que le PPS résiste très bien.

Cependant, au cours des premières années d'utilisation du PPS renforcé de verre dans des environnements aqueux chauds, les matériaux ont montré des échecs précoces qui étaient déroutants. Les évaluations des pièces défectueuses ont montré que même si le polymère n'était pas endommagé par l'eau chaude, la liaison entre le polymère et le verre s'est rompue. Avec l'affaiblissement de l'interface, les pièces ont perdu leur intégrité structurelle et ont échoué. Les nouvelles technologies de couplage ont résolu ce problème.

Il existe d'autres variables qui peuvent être manipulées pour améliorer les performances des polymères avec des fibres de verre. La composition des fibres de verre est l'une de ces variables. La grande majorité de la fibre de verre utilisée dans les composés polymères est connue sous le nom de verre E. Cela dénote une certaine chimie dans le verre et s'accompagne d'un ensemble particulier de propriétés. Cependant, d'autres chimies du verre sont disponibles qui peuvent conférer des propriétés différentes à la matrice polymère, mais à un coût qui n'est généralement pas considéré comme valant la dépense supplémentaire.

Une autre variable intéressante est la géométrie de la fibre de verre. La forme de la section transversale de la plupart des fibres de verre est circulaire. Dans les années 90, des travaux intéressants ont été réalisés en utilisant des fibres de verre de section transversale bilobée ou trilobée. Cela a augmenté la surface de contact entre les fibres de verre et la matrice polymère et a produit des améliorations intéressantes des performances mécaniques. Cependant, il s'agissait également d'une voie vers l'amélioration des propriétés où l'équilibre coût/performance n'était pas considéré comme attrayant, même si ces configurations sont utilisées dans l'industrie du tapis pour augmenter la résilience et même créer certains effets optiques.

Mais même dans le domaine de la composition typique des matériaux, il est important de comprendre que si la composition en vrac est importante, la façon dont les matériaux sont assemblés et connectés les uns aux autres a un effet significatif sur les performances, en particulier les performances à long terme. Avec toute l'attention récemment accordée dans l'industrie automobile à la réduction du poids tout en maintenant les performances, il s'agit d'un principe qu'il est important de retenir.

À propos de l'auteur

Michael Sepe est un consultant indépendant en matériaux et traitement basé à Sedona, en Arizona, avec des clients en Amérique du Nord, en Europe et en Asie. Il a plus de 35 ans d'expérience dans l'industrie des plastiques et assiste les clients dans la sélection des matériaux, la conception pour la fabrication, l'optimisation des processus, le dépannage et l'analyse des défaillances. Contact :(928) 203-0408 • [email protected].