Les matières plastiques dans les procédés

Les polymères sont entrés tardivement dans la gamme des matériaux de construction de l'industrie chimique, sans doute en raison du peu d'informations dont on disposait concernant leurs propriétés mécaniques, et donc du peu de confiance qu'on pouvait accorder aux réalisations.

Les matériaux polymères résistent souvent mal à la température et au soleil, car ils sont basés sur des hydrocarbures et leurs propriétés sont essentiellement dépendante d'une liaison chimique carbone-carbone peut résistante, qui peut être rompue par l'action de la chaleur ou des ultra-violets.

Les polymères peuvent être répartis entre les thermoplastiques et les thermodurcissables.

Thermoplastiques

Les thermoplastiques peuvent être fondus par chauffage et solidifiés par refroidissement sans dégradation de leurs propriétés, ce qui permet de les mettre en forme par extrusion et moulage.

Thermodurcissables

Les polymères thermodurcissables, sont des polymères qui, après chauffage, subissent une réaction chimique formant un réseau tridimensionnel interconnecté, ce qui rend impossible leur ramollissement par la température. Dans cette catégorie on rencontre:

• les résines polyester et vivyl ester
• les résines epoxy
• les résines phénoliques et furane

Polyoléfines

POLYETHYLENE (PE)

Nature:

polymère d'éthylène (C₂H₄)
Selon le procédé de fabrication employé, le polyéthylène produit peut présenter:

• un faible poids moléculaire, une faible densité et une faible cristallinité (PE-LD)
• un poids moléculaire élevé, une forte densité et cristallinité (PE-HD)

Le PE-HD présente de meilleures propriétés mécaniques et est mieux adapté à la fabrication d'équipements subissant des contraintes mécaniques.

Propriétés:

Poids spécifique: 960g/litre

Résistant:

- aux bases, aux acides et solutions de sels
- aux acides organiques comme l'acide acétique ou formique
- aux solvants organiques comme le méthanol, l'éthanol ou l'acétone
- au benzène

Non résistant:

- aux oxydants forts tels que l'acide nitrique ou l'oléum
- aux halogènes tels que fluor, chlore ou brome
- aux hydrocarbures halogénés
- aux hydrocarbures aromatiques

Usages:

jusqu'à 60°C (de -50°C à 90°C pour le PE-HD)

POLYPROPYLENE (PP)

Nature:

polymère de propylène (C₃H₆)

Selon le procédé de fabrication employé, le polypropylène peut présenter les propriétés cristallines suivantes:

• Isotactique; les groupements méthyle sont tous orientés du même coté de la chaine polymère
• Syndiotactique; les groupements méthyle sont alternativement orientés d'un coté et de l'autre de la chaine polymère
• Atactique; les groupements méthyle sont orientés au hazard

De plus il peut être copolymérisé avec des blocs élastomères pour améliorer sa résistance mécanique à basse température.

Propriétés:

Poids spécifique: 920g/litre

Matériau autoclavable (jusqu’à +121°C), gardant de bonnes propriétés mécaniques et une bonne résistance chimique jusqu'à des températures proches du point de ramolissement.

Le polymère isotactique présente la meilleure résistance mécanique en raison de son haut degré de cristallinité.

Le PP est généralement moins résistant aux agressions chimiques que le PE.

Résistant:

- aux acides tels que l'acide chlorhydrique ou sulfurique
- aux bases telles que la soude ou la potasse
- aux solutions de sels tels que chlorure de sodium ou d'ammonium
- aux acides organiques comme l'acide acétique ou formique
- aux solvants organiques comme le méthanol, l'éthanol ou l'acétone

Non résistant:

- aux oxydants forts tels que l'oléum
- aux halogènes tels que fluor, chlore ou brome
- aux hydrocarbures halogénés
- aux hydrocarbures aromatiques

Usages:

- éléments de garnissage de colonne traîtant des solutions aqueuses
- filtres
- réservoirs de stockage

de -10°C à 100°C pour la qualité standard
à 140°C pour la qualité renforcée de fibre de verre
jusqu'à -30°C pour le copolymère bloc

Polymères fluorés

Les polymères fluorés sont des polymères paraffiniques dans lesquels les atomes d'hydrogènes ont été remplacés par des atomes de fluor voire de chlore.

PTFE

Noms commerciaux

Téflon, Fluon, Hostaflon TF, Algoflon

Nature:

Polymère de tétrafluoroéthylène.
Le PTFE a été découvert par les chercheurs du groupe chimique Du Pont (USA), et a été commercialisé en 1946.
C’est un plastique fluoré partiellement cristallisé, qui est classé dans les thermoplastiques (bien que non utilisable pour le moulage par injection).
Ses propriétés proviennent de sa structure moléculaire: la bonne résistance thermique (-200°C à +260°C) et chimique résulte de la force de liaison entre les atomes de fluor et ceux de carbone et de la protection presque totale de la chaîne des carbones par les atomes de fluor.
Les articles en PTFE sont blancs. Leur surface est anti-adhérente et offre l’avantage d’être très glissantes.
Ils sont produits soit par un procédé de pressage isostatique, ou tranformés par usinage à partir de PTFE pressé, semi-fini.

Propriétés:

Pratiquement insensible aux acides et bases.
Poids spécifique: 2150 à 2400g/litre
Résistance à la traction: 21 à 40 MPa
Allongement à la rupture: 300 à 400%
Dureté Shore: 50 à 65

Usages:

de -200°C jusqu'à 260°C
ne peut être mis en forme par extrusion, mais seulement par fritage ou usinage.

PCTFE

Noms commerciaux:

Kel-F, Plaskon

Nature:

Polymère de chlorotrifluoroéthylène (C₂ClF₃).
Le PCTFE est un polymère partiellement cristallisé et possède, par rapport au PTFE, seulement 3 atomes de fluor et 1 atome de chlore. Ce plastique fluoré est nettement plus dur que tous les autres matériaux de ce genre et se distingue particulièrement par sa grande stabilité en forme (même à 255°C ). Le PCTFE résiste aux rayons UV et possède le plus insignifiant taux de permeabilité pour les gaz. Les articles de laboratoire en cette matière sont translucides et non poreux
Propriétés:

Usages:

jusqu'à 180°C

ETFE

Noms commerciaux

Tefzel, Hostaflon ET

Nature:

Copolymère d'éthylène (C₂H₄) et de tétrafluoroéthylène (C₂F₄).
L’ETFE est un copolymère modifié de l’éthylène-tétrafluoréthylène. Alors que l'homopolymère PTFE ne peut être transformé que par un procédé de pressage isostatique ou de frittage, le copolymère modifié ETFE peut être transformé par un procédé de fusion. Il peut être moulé par injection avec des machines appropriées.

Propriétés:

Poids spécifique: 1650 à 1750g/litre
Résistance à la traction: 45 MPa
Allongement à la rupture: 325 à 340%
Dureté Shore: 70
Température de fusion: 265 à 285°C

Résistant:

- à l'eau de mer, aux acides minéraux et solutions de sel
- aux alcool, cétones et amines
- aux hydrocarbures halogénés
- aux hydrocarbures aromatiques comme le benzène et le toluène

Non résistant:

- aux oxydants forts comme l'acide nitrique
- aux métaux alcalins et aux halogènes
- aux bases concentrées
- au chlorure d'aluminium

Usages:

de -30°C jusqu'à 150°C

ECTFE

Nom commercial:

Halar

Nature:

Copolymère de chlorotrifluoroéthylène (C₂ClF₃) et d'éthylène (C₂H₄).

Propriétés:

Excellente résistance aux acides forts, aux bases et aux sels.

Non résistant:

- l'eau oxygénée (peroxyde d'hydrogène)
- l'acide nitrique au dessus de 50°C

Poids spécifique: 1700 g/litre

Résistance à la traction: 45 à 54 MPa
Allongement à la rupture: 200 à 250%
Dureté Shore: 75
Température de fusion: 245°C

Usages:

de -75°C jusqu'à 150°C
peut être extrudé

FEP

Noms commerciaux:

Teflon FEP, Hostaflon FEP

Nature:

Polymère de tétrafluoroéthylène
Le FEP est un copolymère de tétrafluoroéthylène (C₂F₄) et d'hexafluoropropylène (C₃F₆).
Il associe les qualités et propriétés dominantes du PTFE. Seule la température maximale d’utilisation est inférieure (max. +200°C).
Bien que le FEP se manipule comme les thermoplastiques classiques, il y a cependant une limite dans l’usinage rapide due à la haute viscosité de celui-ci. Les pièces en FEP sont translucides jusqu’à transparentes, et non poreuses.

Propriétés:

Résistance chimique comparable au PTFE.
Poids spécifique: 2120 à 2170g/litre
Résistance à la traction: 20 MPa
Allongement à la rupture: 300%
Dureté Shore: 55 à 58
Température de fusion: 265°C

Résistant:

- aux acides chlorhydrique et sulfurique concentrés
- à tout type de solvant
- benzène et hydrocarbures aromatiques

Non résistant:

- aux oxydants forts et aux réducteurs
- aux métaux alcalins et aux halogènes
- à la soude et la potasse concentrés

Usages:

de -100°C jusqu'à 200°C
peut être mis en forme par extrusion

PVDF

Noms commerciaux:

Kynar, Foraflon, Hylar, Solef

Nature:

Polymère de fluorure de vinylidène (C₂H₂F₂).
Le PVDF est un plastique fluoré qui peut être transformé aussi bien par un procédé de fusion que par un procédé d’usinage.
Le PVDF est plus dur et rigide que le PTFE.
Il possède une bonne résistance chimique mais le domaine de températures d'utilisation est inférieure à celle du PTFE.

Propriétés:

Poids spécifique: 1750g/litre
Résistance à la traction: 30 à 50 MPa
Allongement à la rupture: 20 à 50%
Dureté Shore: 75 à 80
Température de fusion: 165 à 175°C

Résistant:

- aux oxydants tels que l'acide nitrique ou l'eau oxygénée
- aux halogènes tels que fluor, chlore ou brome
- aux hydrocarbures aromatiques

Non résistants:

- aux furanes tels que le tétrahydrofurane
- aux cétones à longue chaîne telles que la méthyl-isobutyl-cétone
- aux hydrocarbures halogénés
- aux amines à chaîne courte telles que l'éthylamine ou la butylamine

Usages:

de -50°C jusqu'à 160°C
peut être mis en forme par extrusion.

PVF

Le polyfluorure de vinyle (PVF), tout comme le PTFE, appartient aux fluoroplastiques thermoplastiques semi-cristallins. Sa structure est apparentée à celle du PVC, mais le polyfluorure de vinyle présente une stabilité chimique et physique supérieure à celle du polychlorure de vinyle, car la liaison entre le fluor et le carbone est plus forte qu'entre le chlore et le carbone.

Bonne résistance aux intempéries. Très bonne résistance chimique. Bonne stabilité et ténacité

Mise en forme par extrusion

Disponible sous forme de film uniquement.

PFA

Noms commerciaux:

Hyflon PFA, Teflon PFA, Hostaflon PFA

Nature:

Le PFA est un copolymère de tétrafluoroéthylène (C₂F₄) et de perfluoropropyl vinyléther avec une structure partiellement cristalline à haut poids moléculaire. Les pièces sont obtenues par un procédé de transformation par fusion.
Les propriétés de cette matière thermoplastique peuvent être comparées avec celles du PTFE; les propriétés chimiques et thermiques sont même supérieures.
Les pièces en PFA sont translucides jusqu’à transparentes, non poreuses.

Propriétés:

Poids spécifique: 2150 à 2170g/litre
Résistance à la traction: 22 à 30 MPa
Allongement à la rupture: 380 à 410%
Dureté Shore: 60 à 62
Température de fusion: >300°C
Résistance chimique comparable au PTFE.

Résistant:

- aux acides chlorhydrique et sulfurique concentrés
- à tout type de solvant
- benzène et hydrocarbures aromatiques

Non résistant:

- aux oxydants forts et aux réducteurs
- aux métaux alcalins et aux halogènes
- à la soude et la potasse concentrés

Usages:

de -200°C jusqu'à 260°C
peut être mis en forme par extrusion

MFA

Noms commerciaux:

Hyflon MFA

Nature:

copolymère de tétrafluoroéthylène et de perfluorométhy vinylléther

PVC, CPVC

Noms commerciaux:

Lucalor

Nature:

PVC et CPVC sont des matériaux très similaires.
Le PVC est le polymère du chlorure de vinyle
Le CPVC ou PVC surchloré est obtenu par chloration du PVC.

Propriétés:

De par leur teneur élevée en chlore, le PVC et à fortiori le CPVC sont des métériaux résistant au feu.

De structure cristalline lorsqu'il est pur, le PVC peut être modifié par l'addition de plastifiants.
Il peut être extrudé pour produire des tubes ou des plaques, ou moulé par compression pour produire des vannes. Sa résistance à la corrosion permet son usage dans des procédés tels que l'industrie du chlore.

Avec une température de transition vitreuse supérieure, le CPVC peut être utilisé à des températures supérieures.

Usages:

canalisations pour fluides chauds:
- 90°C sous 2,25 bars maxi
- ou 25°C sous 10 bars maxi.

PPS

Nature:

sulfure de polyphénylène

Propriétés:

Poids spécifique: 1600g/litre

Résistant:

- à l'eau de mer
- aux acides minéraux et aux solutions salines
- aux hydrocarbures halogénés
- aux alcools, cétones et amines
- aux huiles minérales

Non résistants:

- aux acides organiques très concentrés et chauds (>140°C)
- aux bases concentrées

Usages:

de -50°C à 220°C
- éléments de garnissage de colonne traîtant des solutions aqueuses

POLYETHERSULFONES (PES)

Propriétés:

Poids spécifique: 1300g/litre

Résistant:

- à l'eau de mer
- aux acides minéraux et organiques
- aux hydrocarbures aliphatiques
- aux alcools et amines
- aux huiles et graisses

Non résistant:

- au benzène, xylènes et toluène
- aux hydrocarbures halogénés
- aux intempéries

Usages:

de -100°C à 180°C
- éléments de garnissage de colonne

Polyamides (PA)

Les polyamides sont:
- soit des produits de condensation des diamines avec des acides dicarboxyliques (par exemple: acides adipiques et hexaméthylène-diamines),
- soit des produits de condensation des aminoacides ou des lactamènes ( par exemple: capro-lactame).
En règle général, les polyamides sont marqués selon le nombre des atomes de carbone qui sont contenus dans leurs monomères (par exemple: PA 6 = polycapro-lactame allant à PA 12 = polylactame laurique).
Le polyamide qui est utilisé le plus souvent est le PA 6.
Tous les polyamides possèdent une grande consistance, de bonnes propriétés mécaniques et une résistance à l’usure plus élevée. C’est pourquoi on utilise cette matière pour des pièces simples à tourner, comme par exemple des vis ou des écrous allant jusqu’aux paliers lisses ou aux roues dentées.

PAEK, PEEK

PEEK est un polyétheréthercétone d’une température d’utilisation de 250°C, voire 310°C de courte durée.
Outre la haute résistance à la chaleur, le matériau garantit une combinaison unique de très bonnes propriétés mécaniques et d’excellentes résistances aux agents chimiques et aux rayonnements.
De ce fait, il est résistant à l’hydrolyse et ne se sublime pas sous vide.
Le PEEK dans sa teinte naturelle est considéré comme physiologiquement neutre.

Propriétés:

Poids spécifique: 1300g/litre

Résistant:

- aux acides minéraux et organiques
- aux hydrocarbures aliphatiques
- aux alcools et amines
- aux hydrocarbures aromatiques comme le benzène

Non résistant:

- aux acides très oxydants et concentrés
- aux hydrocarbures halogénés
- aux intempéries

Usages:

de -60°C à 250°C
- éléments de garnissage de colonne
- corps de pompes

Thermodurcissables

FRP

Nature

Ce sont des composites constitués de fibres de verre, imprégnés d'une résine polyester insaturé ou vinyl ester, qui a été durcie.

Ces résines, souvent globalement dénommées "polyester", résultent de la polycondensation d'un acide organique et d'un alcool.
On rencontre:
pour les polyester insaturés, des résines:

• isophtaliques
• téréphtaliques
• orthophtaliques

pour les vinyl ester des résines époxides à base de:

• bisphénol A, bisphénol F
• phénol (Novolac)

Pour permettre l'imprégnation des fibre de verre, la résine polyester est formulée diluée dans du styrène.
Lors de la mise en oeuvre, un catalyseur est ajouté afin de copolymériser le polyester avec le styrène, et obtenir une résine définitivement durcie.
Cette réaction n'est pas immédiate et laisse le temps d'imprégner un tissus de fibres de verre et de le mettre en forme pour réaliser la pièce d'équipement souhaitée.

Propriétés

Les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion dépendent de la fibre de verre et de la résine polyester employés.
Les résines polyester offrent une bonne résistance aux milieux acide, mais une faible résistance aux milieux basiques. Les parois en FRP peuvent être protégés de la corrosion par un film thermoplastique.

Usages

Les FRP sont utilisés pour la fabrication de capacités de stockage, de colonnes et de tuyauteries.

Résines Furane

Nature

Un oligomère linéaire est obtenu par polycondensation d'alcool furfurylique en milieu acide.
Lors de l'application, la résine est réticulée par un catalyseur acide.

Propriétés

Excellente résistance aux agents chimiques acides et basiques ainsi qu'aux solvants.
Faible résistance aux agents oxydants (acides chromique et nitrique,.peroxides et hypochlorites)
Bonne résistance à la température. Peut être employé jusqu'à 120 ou 150°C en continu.

Usages

Utilisé comme mortier pour le cellement briques et carrelage devant résister aux bases et aux acides.
Application aux sols, égouts, réservoirs, réacteurs, colonnes en milieu chimique agressif.
Utilisable également pour confectionner des composites avec de la fibre de verre.

Les équipements de procédé

Tuyauteries

Tuyauteries d'eau:

PEHD

Tuyauteries de procédé:

PEHD, PP, PVC, CPVC, PVDF, PFA, FRP

Vannes

PP, PVC, CPVC, PVDF, TFE, PFA

Pompes

PP, PVC, CPVC, PVDF, TFE, PFA

Drains, cuvettes

PEHD, PP, PVC, CPVC, PVDF, TFE, FRP

Réservoirs

Contrairement aux réservoirs métalliques qui peuvent être construits sur site pour les capacités les plus importantes, les réservoirs plastique sont construits en usine. La capacité maximum possible dépend en partie de la capacité à ensuite les acheminer sur site.

PEHD, PP, PVDF, PFA, FRP

Colonnes et capacités

PE, PP, CPVC, PVDF, FEP

Plateaux et internes de  colonnes

Les plateaux sont destinés à assurer un contact intime entre le liquide et le gaz ou vapeur; les internes en général comprennent également les distributeurs liquide, les supports de garnissage, les collecteurs de liquide, ...

PEHD, PP, PVDF

Garnissage de colonne

Les garnissages de colonne doivent supporter la contrainte mécanique de leur propre poids et celui de la charge liquide qui ruiselle, à la température opératoire de la colonne. Les matières plastiques employées peuvent être renforcées, de fibre de verre par exemple, pour accroitre leur résistance mécanique. Les matières plastiques employées doivent pouvoir être extrudées pour produire economiquement des éléments de formes complexes. Elles doivent être aisément mouillables par le liquide procédé pour optimiser leurs performances d'échange.

PE, PP, PVC, CPVC, ECTFE, ETFE, PFA

Dévésiculeurs

Les dévésiculeurs sont destiner à éliminer les fines gouttelettes entraînées par un courant gazeux. Ils peuvent être de type:

• à chevrons; des lames sont placées en travers du courant gazeux
• à matelas de fibres

PP, PVC

Filtres

PP, PVC, CPVC

Tubes d'échangeur de chaleur

PTFE