Élastomères thermoplastiques Notions de base sur les matières plastiques : élastomères, thermoplastiques et matériaux hybrides

Que sont les élastomères thermoplastiques ? En quoi se distinguent-ils des thermoplastiques et des élastomères classiques ? Et quels avantages en découlent ? Un aperçu tiré de la science des matières plastiques.

En règle générale, les matières plastiques sont classées en trois catégories en fonction de leurs propriétés mécaniques et thermiques ainsi que de la structure polymère qui les sous-tend : les thermoplastiques, les élastomères et les thermodurcissables. Il existe toutefois une autre catégorie qui se situe entre les deux premières : les élastomères thermoplastiques, ou TPE en abrégé.

Ils présentent les propriétés élastiques et caoutchouteuses des élastomères, mais peuvent être déformés après chauffage, à l'instar des thermoplastiques. Ces plastiques hybrides à élasticité caoutchouteuse sont notamment transformés en tuyaux, capuchons et bouchons, produits semi-finis et joints d’étanchéité. Mais comment obtient-on ce « statut hybride » et quelles en sont les implications sur leurs possibilités d’application ?

« Hybrides » composés de thermoplastiques et d’élastomères

Les thermoplastiques, tels que le polypropylène (PP), un plastique de grande consommation, le polyéthylène (PE) ou le polytétrafluoroéthylène (PTFE), un plastique haute performance, sont constitués dechaînes polymères non réticulées qui peuvent glisser les unes sur les autres lorsqu’elles sont chauffées. C'est pourquoi les thermoplastiques sont fusibles et déformables de manière réversible dans une certaine plage de températures.

Les chaînes moléculaires des élastomères, en revanche, sont enchevêtrées et réticulées entre elles de manière lâche. Sous l’effet d’une contrainte de traction, les chaînes polymères s’étirent ou se démêlent. Une fois la contrainte extérieure supprimée, les brins polymères reprennent leur état préférentiel en forme d’enchevêtrement. Les élastomères tels que le caoutchouc naturel (NR), le caoutchouc silicone ou le caoutchouc éthylène-propylène-diène (EPDM) présentent donc un comportement élastique semblable à celui du caoutchouc.

La classe des élastomères thermoplastiques peut être considérée, en simplifiant, comme une combinaison de ces deux classes de plastiques. À température ambiante, ils présentent les propriétés physico-techniques des élastomères, tandis qu'à température élevée, à l'instar des thermoplastiques, ils se ramollissent sans se décomposer et peuvent être déformés de manière réversible. Ce processus peut être poursuivi jusqu’à la fusion et répété pratiquement à l’infini. Lorsque les TPE refroidissent à nouveau, ils conservent la forme qu’ils ont prise à l’état ramolli ou fondu et retrouvent leurs valeurs initiales d’élasticité et de résistance.

Structure des élastomères thermoplastiques : la combinaison des contraires

La composition des TPE se caractérise par un composant polymère « souple » et un composant polymère « rigide ». Ces éléments constitutifs, également appelés « séquences », peuvent être combinés de deux manières :

1. D'une part, les thermoplastiques et les élastomères peuvent être simplement mélangés entre eux. On obtient ainsi des mélanges également appelés mélanges de polymères ou alliages d'élastomères. En fonction des séquences et du rapport de mélange choisi, il est possible de fabriquer des matériaux sur mesure aux propriétés précisément définies, qui peuvent être encore ajustées par l'ajout d'additifs et de charges.
2. D'autre part, différents monomères peuvent être polymérisés ensemble. Dans le copolymère ainsi obtenu, les fractions de monomères thermoplastiques et élastomères s’alternent. Lorsqu’il y a au moins deux blocs d’homopolymères chimiquement différents et liés entre eux, on parle de copolymères à blocs. Dans les copolymères greffés, en revanche, un composant polymère forme la chaîne principale, sur laquelle plusieurs chaînes latérales de l'autre type de monomère sont « greffées ».

Dans ces deux types de copolymères, les régions thermoplastiques sont reliées entre elles de manière physiquement réversible par des liaisons de Van der Waals. Lors d'un échauffement, les chaînes moléculaires restent certes intactes, mais les interactions non covalentes, relativement faibles, qui les unissent sont progressivement surmontées et le plastique se ramollit.

Grâce à leur bonne formabilité à chaud, les TPE peuvent être transformés par des procédés tels que l'extrusion, le moulage par injection et le moulage par soufflage, par exemple pour la fabrication de tuyaux en élastomères thermoplastiques ou de cordons ronds élastiques. De plus, ces matières plastiques peuvent être soudées.

Classification des TPE en différents types

Les nombreuses combinaisons possibles de monomères ouvrent la voie à une large gamme d'élastomères thermoplastiques d'intérêt technique, présentant des compositions chimiques et des propriétés physiques variées. La norme DIN EN ISO 18064, en vigueur depuis 2005, prévoit une nomenclature à trois lettres pour les différents types de polymères. Dans la pratique, cependant, les TPE sont encore souvent désignés par l'abréviation « TPE » suivie d'une lettre majuscule indiquant leur structure chimique et morphologique.

Copolymères à blocs

• Polymères de polyuréthane thermoplastiques (TPE-U ou TPU) : Les polymères de polyuréthane thermoplastiques sont des exemples classiques de copolymères à blocs et ont été commercialisés dès les années 1950. Ils sont constitués d’uréthanes aliphatiques ou aromatiques, qui s’alternent avec des blocs de polyester ou de polyéther.
• Polymères polyamides thermoplastiques (TPE-A ou TPA) : Dans les copolyamides thermoplastiques, le composant dur – constitué d'unités linéaires de polyamide 6 ou de polyamide 12 – est lié à des blocs de polyesters ou de polyéthers.
• Polymères thermoplastiques de styrène (TPE-S ou TPS) : Dans ce type de polymères, les monomères de styrène sont combinés par blocs avec des unités de butadiène, d'isoprène, d'éthylène-butylène ou d'éthylène-propylène. La structure la plus courante est le type linéaire A-B-A : styrène-butadiène-styrène (SBS), styrène-isoprène-styrène (SIS), styrène-éthylène-butylène-styrène (SEBS) ou styrène-éthylène-propylène-styrène (SEPS), les blocs terminaux « durs » en styrène conférant les propriétés thermoplastiques et les blocs centraux « souples » respectifs assurant les propriétés élastomères. La dureté de ces polymères à blocs styrène peut être ajustée sur une très large plage.
• Polymères thermoplastiques de polyester (TPE-E ou TPC) : Les élastomères copolyesters thermoplastiques sont des copolymères multiblocs. Dans les chaînes polymères, soit différentes unités de polyester s’alternent entre elles, soit des unités de polyester et de polyéther s’alternent.

Mélanges de polymères

Les mélanges de polymères sont des mélanges de matières plastiques ; on les appelle également « alliages de polymères ».

• Élastomères polyoléfiniques thermoplastiques non réticulés (TPE-O ou TPO) : Les TPO sont des systèmes à deux composants dans lesquels un élastomère, tel que l'EPDM, est finement dispersé dans une matrice polyoléfinique, par exemple en PP. La combinaison de l'éthylène-acétate de vinyle (EVA) et du chlorure de polyvinylidène (PVDC) est un autre exemple important de ce type de matériau.
• Mélanges de polyoléfines thermoplastiques réticulés dynamiquement (TPE-V ou TPV) : Les TPV, étroitement apparentés aux TPO, désignent quant à eux des mélanges de polyoléfines réticulés chimiquement, raison pour laquelle on les appelle également « vulcanisats thermoplastiques ». Dans cette catégorie également, il convient de mentionner en premier lieu la combinaison PP/EPDM.

Pour les pompes à tuyau souple ou en tant que tuyaux de pompe, les tuyaux en EPDM/PP se sont imposés comme une alternative durable et tout aussi inoffensive sur le plan physiologique aux tuyaux en silicone et aux tuyaux en FPM/FKM. Il convient également de mentionner ici que l'abréviation technique « TPX » est également utilisée dans le domaine des plastiques. Ce matériau n'appartient toutefois pas à la famille des TPE ; il s'agit en réalité d'une marque déposée par Mitsui Chemicals Inc. désignant le poly-4-méthylpent-1-ène, un proche parent du polypropylène.

Propriétés et domaines d'application du TPE

Les élastomères thermoplastiques se distinguent par leur grande souplesse et leur grande extensibilité réversible sur une large plage de températures. Leur résistance mécanique élevée, leur résistance aux chocs et leur résistance aux chocs avec entaille les rendent en outre souvent plus robustes que les élastomères purs ou les thermoplastiques purs. Ils possèdent par ailleurs une excellente résistance à l'abrasion, ce qui les rend particulièrement adaptés à une utilisation sous forme de produits semi-finis, tels que des plaques et des tapis en caoutchouc, ainsi que pour les revêtements en plastique. De plus, les profilés en TPE sont utilisés comme joints d'étanchéité et protections d'arêtes dans les boîtiers en plastique, ainsi que dans l'industrie automobile, l'électrotechnique, l'industrie agroalimentaire et l'industrie pharmaceutique.

Leur résistance chimique peut être adaptée de manière très précise en choisissant les monomères constitutifs appropriés. Ainsi, la dureté Shore peut être réduite en augmentant la proportion d'élastomère, ce qui donne un plastique plus souple. Comme cela ne nécessite pas l’utilisation de plastifiants, les TPE sont particulièrement adaptés à la fabrication de tuyaux en caoutchouc. On trouve ainsi des élastomères thermoplastiques comme matière première pour les tuyaux destinés au contact alimentaire ou à la technologie médicale. On peut citer à titre d'exemple les tuyaux TPE-S destinés à la technologie médicale et pharmaceutique ou les tuyaux TPE-E pour l'industrie alimentaire et pharmaceutique de Reichelt Chemietechnik. Ce partenaire spécialisé dans les équipements de laboratoire, les tuyaux et les joints propose une large gamme de produits de haute qualité à base d’élastomères thermoplastiques.

Les élastomères thermoplastiques sont également utilisés pour la fabrication de nombreux articles ménagers et objets du quotidien courants, tels que les semelles de chaussures, les poignées « soft-touch » des brosses à dents, les manches d'outils ou les jouets pour enfants. Leurs applications les plus courantes se trouvent toutefois dans le secteur automobile ; à l’échelle mondiale, plus d’un tiers des matériaux TPE produits sont utilisés dans l’industrie automobile. À l’intérieur des véhicules, ils améliorent par exemple le toucher des garnitures intérieures et des revêtements de poignées et de boutons ; à l’extérieur, ils servent à fabriquer des gaines de câbles, des joints d’étanchéité, des encadrements de vitres, des soufflets et des amortisseurs.