Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi certains produits plastiques surpassent d'autres en termes de résistance, de durabilité et de rentabilité ? Le secret ne réside souvent pas dans le polymère de base lui-même, mais dans la complexité de la modification du plastique par l'utilisation de charges fonctionnelles. Ces poudres minérales, correctement sélectionnées et incorporées, peuvent améliorer considérablement les propriétés des matériaux tout en réduisant les coûts de production.
Dans ce premier volet de notre série, nous découvrirons comment des poudres d'apparence ordinaire transforment les plastiques en matériaux haute performance. Du carbonate de calcium, largement utilisé, au talc et à la wollastonite, chaque charge apporte des avantages uniques aux composites polymères. Rejoignez-nous pour explorer la science derrière ces « charges vedettes » et découvrir comment elles contribuent à la création de produits plastiques plus performants et plus intelligents.
Carbonate de calcium
Le carbonate de calcium (CaCO₃) est actuellement la charge inorganique en poudre la plus utilisée. Peu coûteux, facilement disponible, non toxique, inodore, il offre une blancheur allant jusqu'à 96%, se colore facilement et possède une bonne stabilité chimique. De plus, il sèche facilement, ce qui le rend largement applicable dans de nombreux plastiques. Parmi les charges, le carbonate de calcium se divise en trois catégories : le carbonate de calcium lourd, le carbonate de calcium léger et le carbonate de calcium activé.
Carbonate de calcium lourd
Le carbonate de calcium lourd, abrégé en calcium lourd, est produit par concassage, criblage, calibrage et traitement de surface mécaniques de matériaux tels que le calcaire. Selon la méthode de concassage, il est classé en carbonate de calcium lourd par voie sèche (connu commercialement sous le nom de poudre à double vol) et carbonate de calcium lourd par voie humide. Broyé mécaniquement, le carbonate de calcium lourd présente des particules de forme irrégulière et de taille variable, avec un diamètre moyen de 1 à 10 μm. Parmi celles-ci, le 50% mesure moins de 3 μm. Sa masse volumique varie de 2,7 à 2,9 g/cm³ et il est quasiment insoluble dans l'eau. Ces dernières années, les progrès des technologies de concassage (comme le broyage par jet) et de calibrage ont permis la production de produits encore plus fins, notamment du carbonate de calcium lourd ultrafin, dont les particules peuvent atteindre 0,1 μm. Le carbonate de calcium lourd est couramment utilisé dans le PVC pour réduire les coûts et améliorer la stabilité dimensionnelle. Associé à l'argile, il améliore l'élasticité et la résistance à la chaleur.
Carbonate de calcium léger
Le carbonate de calcium léger, abrégé en calcium léger, est un carbonate de calcium produit chimiquement, également appelé carbonate de calcium précipité. Ses particules sont généralement fusiformes, aciculaires ou colonnaires, avec un diamètre de 1 à 10 μm. Parmi celles-ci, le 80% a une taille inférieure à 3 μm et une masse volumique de 2,65 g/cm³. Le carbonate de calcium léger est souvent utilisé dans les polyoléfines, remplissant les mêmes fonctions que le carbonate de calcium lourd. Il offre de meilleurs effets de renforcement et une meilleure résistance aux acides.
Carbonate de calcium activé
Le carbonate de calcium activé, également appelé carbonate de calcium colloïdal ou carbonate de calcium modifié, est appelé « Hakuenka » au Japon. Il est obtenu en modifiant la surface d'une poudre de carbonate de calcium légère ou lourde avec un agent de traitement de surface (tel que l'acide stéarique, dont la fraction massique est d'environ 3%). Il se présente sous la forme d'une poudre blanche, fine et molle, d'une densité de 1,99 à 2,01 g/cm³. Les produits plastiques chargés de carbonate de calcium activé présentent une certaine résistance, une surface lisse, un bon pouvoir lubrifiant et une facilité de mise en œuvre.
Le carbonate de calcium est classé par taille de particule comme suit :
• Taille des particules de 1 à 5 μm : carbonate de calcium à particules fines
• Taille des particules de 0,1 à 1 μm : carbonate de calcium microfin
• Taille des particules de 0,02 à 0,1 μm : carbonate de calcium ultrafin
• Taille des particules inférieure à 0,02 μm : carbonate de calcium supermicro
Actuellement, la production de carbonate de calcium ultrafin utilise principalement des procédés de carbonisation et de séchage par atomisation en continu (appelés procédé de double pulvérisation). Cette méthode affine les agglomérats apparents de carbonate de calcium et assure une activation uniforme de la surface. Lorsque la granulométrie est comprise entre 0,005 et 0,02 µm, son effet renforçant est comparable à celui de la silice.
Poudre de talc
La poudre de talc (3MgO·4SiO₂·H₂O) est principalement composée de silicate de magnésium hydraté, obtenu par broyage et raffinage de talc naturel. C'est une charge floconneuse typique, aux propriétés chimiques inertes et à la texture lisse. Sa masse volumique varie de 2,7 à 2,8 g/cm³. La poudre de talc est la deuxième charge la plus utilisée après le carbonate de calcium. En tant que charge plastique, elle améliore la dureté, l'ignifugation, la résistance aux acides et aux alcalis, l'isolation électrique, la stabilité dimensionnelle et la résistance au fluage des produits. Elle assure également un pouvoir lubrifiant, réduisant ainsi l'usure des machines et des moules. Cependant, une utilisation excessive peut affecter la soudabilité des produits.
Grâce à sa structure feuilletée, le talc confère une grande rigidité et une faible anisotropie aux produits plastiques, ce qui le rend idéal pour les produits plats et de grande taille. Il est principalement utilisé comme agent de nucléation de cristallisation pour le PP, affinant les sphérolites du PP, augmentant ainsi la cristallinité et améliorant la rigidité. Il peut également être utilisé dans le PVC, le PE, le PA, le PC et d'autres résines, avec un taux d'ajout typique de 10% à 40%. Les conditions et les équipements de traitement des plastiques chargés au talc sont similaires à ceux des plastiques chargés au carbonate de calcium. Ces deux procédés peuvent être utilisés par extrusion, moulage par compression, moulage par injection et calandrage pour produire divers types de produits plastiques. Le talc est non toxique et peut être utilisé dans les produits en contact avec nourriture.
Wollastonite
La wollastonite (CaSiO₃) est la troisième charge la plus utilisée après le carbonate de calcium et le talc. La wollastonite naturelle possède une structure chimique de silicate de calcium de type β et est un mélange de particules aciculaires, en bâtonnets et granulaires, les particules aciculaires étant la forme dominante. La wollastonite se présente sous la forme d'un cristal blanc, exempt d'eau cristalline, présentant une faible hygroscopicité, une non-toxicité, un faible coefficient de dilatation thermique, une stabilité thermique élevée, une résistance à la corrosion chimique et aux intempéries, ainsi que d'excellentes propriétés mécaniques et électriques.
La wollastonite possède un indice de réfraction de 1,62, proche de celui des composés PVC, ce qui en fait la charge privilégiée pour les produits PVC transparents. Grâce à sa structure aciculaire, la wollastonite confère certains effets de renforcement aux plastiques et peut remplacer partiellement les fibres de verre onéreuses. Elle peut être utilisée dans le PVC, le PP, le PE, le PA, les polyesters, les résines époxy, les résines phénoliques et d'autres résines, avec un taux d'addition généralement inférieur à 40%. Un traitement de surface avec des agents de couplage silane est couramment utilisé.
Du carbonate de calcium polyvalent au talc renforçant et à la wollastonite, nous avons constaté que ces « poudres » minérales sont les héros méconnus de plastiques plus résistants et plus économiques. Mais la gamme des charges ne s'arrête pas là !
À suivre dans la partie 2…
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