Résines polyester : guide essentiel pour les applications composites

Note de l'éditeur : Ce contenu a été publié à l'origine sur NetComposites.com. NetComposites a été acquis par la société mère de CompositesWorld, Gardner Business Media, en février 2020.

Les résines polyester sont les systèmes de résine les plus largement utilisés, particulièrement dans l'industrie maritime. La grande majorité des dériveurs, yachts et bateaux de travail construits en composites utilisent ce système de résine.

Les résines polyester telles que celles-ci sont de type « insaturé ». La résine polyester insaturée est un thermodurcissable, capable d'être durcie d'un état liquide ou solide lorsqu'elle est soumise aux bonnes conditions. Il est d'usage de désigner les résines polyester insaturées sous le nom de « résines polyester », ou simplement de « polyesters ». Il existe toute une gamme de polyesters fabriqués à partir de différents acides, glycols et monomères, tous ayant des propriétés variables.

Il existe deux types principaux de résine polyester utilisés comme systèmes de stratification standard dans l'industrie des composites. La résine polyester orthophtalique est la résine économique standard utilisée par de nombreux utilisateurs. La résine polyester isophtalique devient maintenant le matériau préféré dans des industries telles que le maritime, où sa résistance supérieure à l'eau est souhaitable.

La figure ci-dessous montre la structure chimique idéalisée d'un polyester typique. Notez les positions des groupes ester (CO – O – C) et des sites réactifs (C* = C*) au sein de la chaîne moléculaire :

La plupart des résines polyester sont des liquides visqueux, de couleur pâle, consistant en une solution d'un polyester dans un monomère qui est généralement du styrène. L'ajout de styrène en quantités allant jusqu'à 50 % aide à rendre la résine plus facile à manipuler en réduisant sa viscosité. Le styrène remplit également la fonction vitale de permettre à la résine de durcir d'un liquide à un solide en « réticulant » les chaînes moléculaires du polyester, sans dégagement de sous-produits. Ces résines peuvent donc être moulées sans utilisation de pression et sont appelées résines « de contact » ou « basse pression ». Les résines polyester ont une durée de stockage limitée car elles se solidifient ou « gélifient » d'elles-mêmes sur une longue période. Souvent, de petites quantités d'inhibiteur sont ajoutées lors de la fabrication de la résine pour ralentir cette action de gélification.

Pour une utilisation en moulage, une résine polyester nécessite l'ajout de plusieurs produits auxiliaires. Ces produits sont généralement :

• un catalyseur,
• un accélérateur, ou
• des additifs pour les propriétés thixotropes, pigment, charge ou résistance chimique/au feu.

Un fabricant peut fournir la résine sous sa forme de base ou avec l'un des additifs ci-dessus déjà inclus. Les résines peuvent être formulées selon les besoins du mouleur, prêtes simplement pour l'ajout du catalyseur avant le moulage. Comme mentionné, donné suffisamment de temps, une résine polyester insaturée se solidifiera d'elle-même. Ce taux de polymérisation est trop lent pour des fins pratiques et donc des catalyseurs et accélérateurs sont utilisés pour atteindre la polymérisation de la résine dans un délai pratique. Les catalyseurs sont ajoutés au système de résine peu de temps avant l'utilisation pour initier la réaction de polymérisation. Le catalyseur ne participe pas à la réaction chimique mais active simplement le processus. Un accélérateur est ajouté à la résine catalysée pour permettre à la réaction de se dérouler à la température de l'atelier et/ou à un rythme plus grand. Comme les accélérateurs ont peu d'influence sur la résine en l'absence de catalyseur, ils sont parfois ajoutés à la résine par le fabricant de polyester pour créer une résine « pré-accélérée ».

Les chaînes moléculaires du polyester peuvent être représentées comme suit, où « B » indique les sites réactifs dans la molécule :

Avec l'ajout de styrène « S », et en présence d'un catalyseur, le styrène réticule les chaînes polymères à chacun des sites réactifs pour former un réseau tridimensionnel hautement complexe comme suit :

La résine polyester est alors dite « durcie ». C'est maintenant un solide chimiquement résistant (et généralement) dur. Le processus de réticulation ou de durcissement est appelé « polymérisation ». C'est une réaction chimique non réversible. La nature « côte à côte » de cette réticulation des chaînes moléculaires tend à signifier que les stratifiés polyester souffrent de fragilité lorsque des charges de choc sont appliquées.

Une grande attention est nécessaire dans la préparation du mélange de résine avant le moulage. La résine et tout additif doivent être soigneusement mélangés pour disperser tous les composants uniformément avant l'ajout du catalyseur. Ce mélange doit être complet et soigneux car tout air introduit dans le mélange de résine affecte la qualité du moulage final. Cela est particulièrement vrai lors du stratifiage avec des couches de matériaux de renfort car des bulles d'air peuvent se former dans le stratifié résultant ce qui peut affaiblir la structure. Il est également important d'ajouter l'accélérateur et le catalyseur en quantités soigneusement mesurées pour contrôler la réaction de polymérisation afin d'obtenir les meilleures propriétés du matériau. Trop de catalyseur causera un temps de gélification trop rapide, alors que trop peu de catalyseur entraînera un sous-durcissement.

La coloration du mélange de résine peut être réalisée avec des pigments. Le choix d'un matériau pigmentaire approprié, même s'il n'est ajouté qu'à environ 3 % du poids de la résine, doit être soigneusement considéré car il est facile d'affecter la réaction de durcissement et de dégrader le stratifié final par l'utilisation de pigments inadaptés.

Les matériaux de charge sont largement utilisés avec les résines polyester pour diverses raisons, notamment :

• pour réduire le coût du moulage,
• pour faciliter le processus de moulage, ou
• pour conférer des propriétés spécifiques au moulage.

Les charges sont souvent ajoutées en quantités allant jusqu'à 50 % du poids de la résine, bien que de tels niveaux d'ajout affectent la résistance à la flexion et à la traction du stratifié. L'utilisation de charges peut être bénéfique dans le stratifiage ou le coulage de composants épais où sinon une chaleur exothermique considérable peut se produire. L'ajout de certaines charges peut également contribuer à augmenter la résistance au feu du stratifié.

Pour les dernières actualités sur les résines polyester/vinyle ester, visitez compositesworld.com/zones/poly-vinyl-esters.