Résine de polyester - Polyester resin

Les résines polyester sont des résines synthétiques formées par la réaction d' acides organiques dibasiques et d' alcools polyhydriques . L'anhydride maléique est une matière première couramment utilisée avec une fonctionnalité diacide dans les résines polyester insaturées. Les résines polyester insaturées sont utilisées dans les composés de moulage en feuille , les composés de moulage en vrac et le toner des imprimantes laser . Les panneaux muraux fabriqués à partir de résines de polyester renforcées de fibre de verre - ce qu'on appelle du plastique renforcé de fibre de verre (PRF) - sont généralement utilisés dans les restaurants, les cuisines, les toilettes et d'autres zones qui nécessitent des murs lavables nécessitant peu d'entretien. Ils sont également largement utilisés dans les applications de tuyaux durcis sur place . Les départements des transports des États-Unis les spécifient également pour une utilisation comme revêtement sur les routes et les ponts. Dans cette application, ils sont connus sous le nom de revêtements en béton polyester PCO. Ceux-ci sont généralement à base d'acide isophtalique et coupés avec du styrène à des niveaux élevés, généralement jusqu'à 50 %. Les polyesters sont également utilisés dans les adhésifs pour boulons d'ancrage , bien que des matériaux à base d' époxy soient également utilisés. De nombreuses entreprises ont introduit et continuent d'introduire des systèmes sans styrène principalement en raison de problèmes d'odeur, mais également en raison de préoccupations selon lesquelles le styrène est un cancérogène potentiel. La plupart des résines de polyester sont des liquides visqueux de couleur pâle constitués d'une solution d'un polyester dans un diluant réactif qui est généralement du styrène, mais peut également comprendre du vinyltoluène et divers acrylates.

Polyester insaturé

Les polyesters insaturés sont des polymères de condensation formés par la réaction de polyols (également appelés alcools polyhydriques ), de composés organiques avec plusieurs groupes fonctionnels alcool ou hydroxy, avec des acides dibasiques insaturés et dans certains cas saturés. Les polyols typiques utilisés sont les glycols comprenant l' éthylène glycol , le propylène glycol et le diéthylène glycol ; Les acides typiques utilisés sont l' acide phtalique , l' acide isophtalique , l' acide téréphtalique et l' anhydride maléique . L'eau, un sous-produit de condensation des réactions d' estérification , est éliminée en continu par distillation, conduisant la réaction à son terme via le principe de Le Chatlier . Les polyesters insaturés sont généralement vendus aux fabricants de pièces sous forme de solution de résine dans un diluant réactif ; le styrène est le diluant le plus courant et la norme de l'industrie. Le diluant permet de contrôler la viscosité de la résine et participe également à la réaction de durcissement. La résine initialement liquide est convertie en un solide par des chaînes de réticulation . Cela se fait en créant des radicaux libres au niveau des liaisons insaturées, qui se propagent dans une réaction en chaîne à d'autres liaisons insaturées dans les molécules adjacentes, les liant dans le processus. L'insaturation se présente généralement sous la forme d'espèces maléate et fumarate le long de la chaîne polymère. Le maléate/fumarate ne s'auto-polymérise généralement pas via des réactions radicalaires, mais réagit facilement avec le styrène. L'anhydride maléique et le styrène sont connus pour former des copolymères alternés , et sont en fait le cas d'école de ce phénomène. C'est l'une des raisons pour lesquelles le styrène a été si difficile à remplacer sur le marché en tant que diluant réactif standard de l'industrie pour les résines de polyester insaturé, malgré les efforts croissants pour déplacer le matériau comme la proposition 65 de la Californie . Les radicaux libres initiaux sont induits par l'ajout d'un composé qui se décompose facilement en radicaux libres. Ce composé est connu comme le catalyseur dans l'industrie, mais l' initiateur est un terme plus approprié. Des sels de métaux de transition sont généralement ajoutés en tant que catalyseur pour la réaction de réticulation de croissance de chaîne, et dans l'industrie, ce type d'additif est connu comme un promoteur ; le promoteur est généralement compris comme abaissant l' énergie de dissociation des liaisons de l'initiateur radicalaire. Les sels de cobalt sont le type de promoteur le plus couramment utilisé. Les initiateurs de radicaux couramment utilisés sont les peroxydes organiques tels que le peroxyde de benzoyle ou le peroxyde de méthyléthylcétone .

Les résines polyester sont thermodurcissables et, comme les autres résines, durcissent de manière exothermique. L'utilisation excessive d'initiateur, en particulier avec un catalyseur présent, peut donc provoquer une carbonisation ou même une inflammation pendant le processus de durcissement. Un excès de catalyseur peut également provoquer la rupture du produit ou la formation d'un matériau caoutchouteux.

Les polyesters insaturés (UPR) sont utilisés sur de nombreux marchés industriels différents, mais en général, ils sont utilisés comme matériau de matrice pour divers types de composites . Composites renforcés de fibres de verre comprennent le plus grand segment dans lequel RUP sont utilisés et peuvent être traités via SMC , BMC , pultrusion , tuyau durcie sur place (connu sous le regarnissage en Europe), l' enroulement filamentaire , le moulage sous vide , par pulvérisation jusqu'à moulage , moulage par transfert de résine (RTM) , ainsi que de nombreux autres processus. Les UPR sont également utilisés dans des applications non renforcées, des exemples courants étant les gelcoats , les boutons de chemise, les boulons de mine , les noyaux de boule de bowling , le béton polymère et la pierre reconstituée/le marbre de culture .

Chimie

Mécanisme pour l'isomérisation catalysée par DMAA du maléate en fumarate
Exemple de résine DCPD
Exemple de Nadic

En chimie organique, un ester est formé comme produit de condensation d'un acide carboxylique et d'un alcool , avec de l'eau formée comme sous-produit de condensation. Un ester peut également être produit avec un halogénure d'acyle et un alcool, auquel cas le sous-produit du condensat est un halogénure d'hydrogène .

Les polyesters sont une catégorie de polymères dans lesquels la fonctionnalité ester se répète dans la chaîne principale. Les polyesters sont un exemple classique de polymère à croissance par étapes , dans lequel un acide difonctionnel (ou d'ordre supérieur) ou un halogénure d'acyle est mis à réagir avec un alcool difonctionnel (ou d'ordre supérieur). Les polyesters sont produits commercialement sous forme de résines saturées et insaturées. Le polyester le plus courant et le plus produit en volume est le polyéthylène téréphtalate (PET) , qui est un exemple de polyester saturé et trouve une utilisation dans des applications telles que les fibres pour les vêtements et les tapis, les aliments et les récipients liquides (comme les bouteilles d'eau/de soda), ainsi que des films.

Dans la chimie des polyesters insaturés (UPR), des sites d'insaturation sont présents le long de la chaîne, généralement par incorporation d'anhydride maléique, mais l'acide maléique et l'acide fumarique sont également utilisés. L'acide maléique et l'acide fumarique sont des isomères où le maléique est l'isomère cis et le fumarique est l'isomère trans. Les formes esters de ces deux molécules sont respectivement le maléate et le fumarate. Lors du durcissement d'un UPR, la forme fumarate est connue pour réagir plus rapidement avec le radical styrène, de sorte que les catalyseurs d' isomérisation , tels que le N,N-diméthylacétoacétamide (DMAA), sont souvent utilisés dans le processus de synthèse qui convertit les maléates en fumarates ; l'isomérisation peut également être encouragée avec une augmentation du temps et de la température de réaction. Dans l'industrie UPR, la classification des résines est généralement basée sur l'acide saturé primaire. Par exemple, une résine contenant principalement de l'acide téréphtalique est connue sous le nom de résine Tere, une résine contenant principalement de l'anhydride phtalique est connue sous le nom de résine Ortho et une résine contenant principalement de l'acide isophtalique est connue sous le nom de résine Iso. Le dicyclopentadiène (DCPD) est également une matière première UPR courante et peut être incorporé de deux manières différentes. Dans un procédé, le DCPD est craqué in situ pour former du cyclopentadiène qui peut ensuite être mis à réagir avec des groupes maléate/fumarate le long de la chaîne polymère via une réaction de Diels-aulne . Ce type de résine est connu sous le nom de résine Nadic et est appelé Ortho du pauvre, en raison du partage de nombreuses propriétés similaires d'une résine Ortho ainsi que du coût extrêmement bas de la matière première DCPD. Dans un autre processus, l'anhydride maléique est d'abord ouvert avec de l'eau ou un autre alcool pour former de l'acide maléique et est ensuite mis à réagir avec du DCPD où un alcool de l'acide maléique réagit à travers l'une des doubles liaisons du DCPD. Ce produit est ensuite utilisé pour coiffer la résine UPR qui donne un produit avec une insaturation sur les groupes terminaux. Ce type de résine est appelé résine DCPD.

Les résines ortho constituent le type le plus courant d'UPR, et beaucoup sont connues sous le nom de résines à usage général. Les composites FRP utilisant des résines ortho se trouvent dans des applications telles que les coques de bateaux, les articles de bain et les noyaux de boules de bowling.

Les résines iso se situent généralement dans le haut de gamme des produits UPR, à la fois en raison du coût relativement plus élevé de l'acide isophtalique et des propriétés supérieures qu'elles possèdent. Les résines iso sont le principal type de résine utilisé dans les applications de revêtement gélifié, qui est similaire à une peinture, mais est pulvérisée dans un moule avant que le FRP ne soit moulé, laissant un revêtement sur la pièce. Les résines gel coat doivent avoir une couleur plus faible (presque claire) afin de ne pas conférer de couleur supplémentaire à la pièce ou pour qu'elles puissent être teintes correctement. Les gelcoats doivent également avoir une forte résistance aux UV et aux cloques d'eau.

Les résines Tere sont souvent utilisées lorsqu'un module et une résistance élevés sont souhaités, mais les propriétés de faible couleur d'une résine Iso ne sont pas nécessaires. L'acide téréphtalique est généralement moins coûteux que l'acide isophtalique, mais tous deux donnent des caractéristiques de résistance similaires à un produit UPR. Il existe un sous-ensemble spécial de résines Tere, connues sous le nom de résines PET UPR, qui sont produites par craquage catalytique de résine PET dans le réacteur pour produire un mélange d'acide téréphtalique et d'éthylène glycol. Des acides et des glycols supplémentaires sont ensuite ajoutés avec l'anhydride maléique et un nouveau polymère est produit. Le produit final est fonctionnellement identique à une résine Tere, mais peut souvent être moins coûteux à fabriquer car les déchets de PET peuvent être achetés à moindre coût. Si un PET modifié au glycol (PET-G) est utilisé, des propriétés exceptionnelles peuvent être conférées à la résine en raison de certains des matériaux exotiques utilisés dans la production de PET-G. Les résines Tere et PET-UPR sont utilisées dans de nombreuses applications, y compris les tuyaux durcis en place.

Biodégradation

Il a été démontré que les lichens détériorent les résines de polyester, comme on peut le voir sur les sites archéologiques de la ville romaine de Baelo Claudia en Espagne.

Avantages

La résine polyester offre les avantages suivants :

  1. Résistance adéquate à l'eau et à une variété de produits chimiques.
  2. Bonne résistance aux intempéries et au vieillissement.
  3. À bas prix.
  4. Les polyesters peuvent résister à une température allant jusqu'à 80 °C.
  5. Les polyesters ont un bon mouillage des fibres de verre.
  6. Retrait relativement faible entre 4 et 8 % pendant le durcissement.
  7. La dilatation thermique linéaire est comprise entre 100 et 200 x 10 −6 K −1 .

Désavantages

La résine polyester présente les inconvénients suivants :

  1. Forte odeur de styrène
  2. Plus difficile à mélanger que d'autres résines, comme un époxy en deux parties
  3. La nature toxique de ses fumées, et en particulier de son catalyseur, le MEKP, pose un risque pour la sécurité si une protection appropriée n'est pas utilisée
  4. Ne convient pas pour le collage de nombreux substrats
  5. Le durcissement fini est probablement plus faible qu'une quantité égale d'une résine époxy

Voir également

Les références