Que sont les cristaux d'extrusion plastique ? 4 méthodes pour apprendre à contrôler facilement la cristallinité et la qualité de cristallisation des plastiques !

La composition des plastiques est un ensemble de nombreux composés polymères linéaires et allongés. Le degré de cristallisation (cristallinité) est mesuré par le degré d'organisation régulière des molécules et peut être déterminé par la réflexion des rayons X. La structure des composés organiques est complexe, et celle des plastiques l'est encore plus. La structure des chaînes moléculaires (linéaire, bulbeuse, repliée, spiralée, etc.) est très variable, et leur structure dépend donc fortement des conditions de mise en forme.

Un plastique à haut degré de cristallinité est un plastique cristallin où les forces gravitationnelles entre les molécules interagissent facilement, ce qui lui confère une grande résistance. Pour cristalliser et s'aligner correctement, le volume diminue, ce qui entraîne un retrait et une dilatation thermique plus importants du moule. Par conséquent, plus la cristallinité est élevée, moins le plastique est transparent, mais plus il est résistant.

Les plastiques cristallins possèdent un point de fusion (Tm) spécifique. À l'état solide, leurs molécules sont régulièrement agencées et présentent une forte tension interne. Lors de la fusion, leur volume varie considérablement et, après polymérisation, ils ont tendance à se rétracter. Les contraintes internes sont difficiles à relâcher, le produit fini est opaque, la dissipation thermique lors du formage est lente et le retrait est plus important après moulage à froid qu'après moulage à chaud.
Contrairement aux plastiques cristallins, il existe un autre type de plastique non cristallin, qui n'a pas de point de fusion évident, dont les molécules sont disposées de manière irrégulière à l'état solide, dont le volume spécifique ne change pas beaucoup lors de la fusion, qui ne se rétracte pas facilement après durcissement, dont le produit fini est transparent, dont la couleur jaunâtre s'accentue avec la température du matériau, et dont la chaleur se dissipe rapidement lors du moulage.

Les caractéristiques des plastiques cristallins sont les suivantes :


1. Méthode de contrôle de la température
a. Plus la température de fusion est basse, plus la formation de germes de nucléation homogène est favorisée, augmentant ainsi le nombre de points de croissance cristalline et améliorant la cristallinité, tout en réduisant la taille des cristaux. Par conséquent, dans le procédé de transformation spécifique, afin de garantir la plastification, la température de fusion est légèrement inférieure, ce qui est bénéfique à la cristallisation.
b. La température de refroidissement a un impact majeur sur le degré et la qualité de la cristallisation. C'est le moyen le plus efficace de contrôler la cristallisation. Un refroidissement lent permet de prolonger le séjour du plastique dans la zone de cristallisation, ce qui augmente le degré de cristallisation. Cependant, un refroidissement lent favorise la formation de cristaux grossiers et sphériques, ce qui nuit à la rigidité et à la dureté. Un refroidissement rapide, d'une part, permet au plastique de traverser rapidement la zone de cristallisation, réduisant ainsi le degré de cristallisation ; d'autre part, grâce à un temps de croissance cristalline court, il affine la taille des cristaux, ce qui améliore la transparence et la ténacité. En pratique, le choix entre un refroidissement lent ou rapide dépend des performances requises du produit. Si la transparence du produit est primordiale, un refroidissement rapide est nécessaire ; si sa rigidité et sa dureté sont élevées, un refroidissement lent est préférable.

2. Méthode de contrôle de l'agent de nucléation
L'agent de nucléation est principalement ajouté pour favoriser la nucléation hétérogène, augmenter le point de croissance cristalline, accroître la cristallinité et affiner les particules cristallines, afin d'améliorer la résistance aux chocs, la limite d'élasticité et le brillant.
Il existe trois types d'agents de nucléation : inorganiques, organiques et polymères :
a. Agent de nucléation inorganique : agent de nucléation inorganique pour le talc, notamment : CaCO3, mica, pigments inorganiques, etc. Ces agents de nucléation ont un impact sur la transparence des plastiques et doivent donc être limités en quantité dans les produits transparents.
b. agents de nucléation organiques Les agents de nucléation organiques sont : les carboxylates aromatiques de sodium, de magnésium, d'aluminium, de titane et d'autres métaux, les phosphates organiques, l'acide sorbique, les enzymes, etc.
c. Agent de nucléation de polymère organique. Pour certains polymères à point de fusion élevé, tels que les cycloalcanes vinyliques, cet agent de nucléation de polymère organique ne peut être utilisé que dans le PP, etc.
Il convient de noter que l'on a récemment découvert que les agents de nucléation peuvent non seulement affiner la taille des cristaux, mais aussi déterminer leur type spécifique.

3. Méthode de contrôle de l'étirement
Étirement defilm plastiqueLes produits en feuilles ayant subi une cristallisation peuvent voir leurs cristaux se fragmenter et former des cristaux plus petits, créant ainsi une série de cristaux dans le sens de l'étirage. Ce processus améliore la ténacité des produits et augmente sensiblement leur résistance à la traction, leur brillance, leur dureté, leur pouvoir barrière et d'autres propriétés. L'étirage, en modifiant la qualité cristalline du plastique, peut également améliorer sa cristallinité.

4. Méthode de contrôle du traitement thermique
Le traitement thermique peut d'une part favoriser la cristallisation et augmenter la cristallinité ; d'autre part, il peut améliorer la qualité de la cristallisation, de sorte que les défauts de cristallisation laissés par une cristallisation trop rapide puissent être entièrement réparés.
Le traitement thermique peut également induire la cristallisation de différents types de transformations réciproques. Par exemple, les produits en PP contenant de la phase cristalline β fondent entièrement sous l'effet d'un traitement thermique au-dessus de leur point de fusion, puis recristallisent pour former la phase cristalline α. En revanche, la phase cristalline hexagonale proposée peut être transformée en phase cristalline α par un traitement thermique à plus de 70 °C.

Prenons l'exemple du PA6 : après traitement thermique de ses produits, ses différentes propriétés évoluent comme suit :
a. résistance à la traction à une température de traitement thermique de 120 à 180 °C et un temps de maintien de 10 à 120 min, la résistance à la traction avec l'augmentation de la température de traitement et du temps de maintien et l'extension de l'augmentation, le changement maximal peut atteindre environ 10 %.
b. Lors d'un maintien à température de 4 h, pour une température de traitement comprise entre 120 °C et 140 °C, la résistance aux chocs a diminué de près de 60 %. Cependant, au-delà de 140 °C, la diminution s'est stabilisée. À 180 °C, lorsque le temps de maintien a été prolongé de 10 min à 30 min, la résistance aux chocs a également diminué de 60 %. Au-delà de 30 min, la diminution s'est stabilisée.
c. La dureté dans une certaine plage, avec la température de traitement thermique et l'allongement du temps de maintien, a augmenté lentement, l'augmentation maximale étant d'environ 10 %.
d. Le traitement thermique de cristallinité peut favoriser la cristallisation secondaire et ainsi améliorer la cristallinité. Lors d'un maintien en température de 4 h, la cristallinité augmente avec la température de traitement thermique ; elle augmente légèrement plus rapidement au début, puis un peu plus lentement au-delà de 140 °C. À une température de traitement thermique de 180 °C, la cristallinité initiale reste stable même avec l'allongement du temps de maintien en température ; mais au-delà de 120 min de maintien, la cristallinité augmente rapidement.

Comment déterminer la cristallinité des plastiques ?
Il existe trois méthodes courantes : la méthode de densité, la méthode de diffraction des rayons X (DRX) et la méthode DSC.
La méthode DSC est la plus couramment utilisée et la plus précise, suivie de la méthode XRD qui, en plus de mesurer la cristallinité, peut également déterminer la teneur de chaque type de cristal selon le spectre ; la méthode de densité présente la plus grande marge d’erreur et n’est généralement utilisée que pour comparer la cristallinité relative d’une même substance.
Outre ces trois méthodes, il existe également une méthode de spectroscopie infrarouge, qui repose sur un calcul simple effectué par un logiciel de spectrogramme et qui est rarement utilisée.