PBT modifié : performances éprouvées dans les pièces automobiles et électroniques
Parmi la famille des plastiques, il existe un matériau réputé pour sa résistance mécanique exceptionnelle, sa résistance à la chaleur exceptionnelle et ses excellentes propriétés électriques, ce qui en fait un « acteur incontournable » parmi les plastiques techniques : il s'agit du PBT. Lorsque vous utilisez des outils électriques, conduisez une voiture ou utilisez un appareil électroménager, vous avez probablement déjà été en « contact étroit » avec le PBT. Ce plastique technique apparemment ordinaire mais pourtant très performant soutient discrètement le fonctionnement fiable de l’industrie moderne.
Le PBT est un polyester saturé linéaire cristallin produit par polycondensation d'acide téréphtalique purifié (PTA) ou de téréphtalate de diméthyle (DMT) avec du 1,4-butanediol (BDO). Le PBT a une densité d'environ 1,30 à 1,32 g/cm³, un point de fusion compris entre 225 et 235°C, et présente de bons taux de cristallisation et des cycles de moulage courts, ce qui améliore l'efficacité de la production. Les pièces PBT sont facilement moulées par flux avec des cycles courts, contribuant ainsi à réduire les coûts de production. De plus, le PBT offre des avantages tels que la résistance à l'humidité, la résistance à l'usure, la résistance à l'huile et un faible fluage.
Actuellement, la consommation annuelle mondiale de PBT dépasse 1 million de tonnes. Il occupe une position importante parmi les cinq principaux plastiques techniques à usage général (PA, PBT, PC, POM, PPO) et constitue un matériau clé indispensable dans des domaines tels que l'électronique/les appareils électriques et l'industrie automobile.
Cependant, le PBT présente des inconvénients tels qu'une inflammabilité, un saignement important de composés de faible poids moléculaire au contact de réfrigérants, des propriétés diélectriques insuffisantes et une tendance des pièces à parois minces à se déformer, ce qui limite son champ d'application. Pour compenser les défauts de performances de la résine PBT pure, diverses études de modifications ont été menées.
I. État actuel de la recherche sur la modification des plastiques techniques PBT
Pour répondre aux besoins industriels, la modification du PBT pour améliorer ses fonctionnalités est privilégiée par le marché. Actuellement, des méthodes telles que la modification par copolymérisation, la modification des charges inorganiques, la technologie des nanocomposites et la modification des mélanges sont principalement utilisées au niveau national et international pour améliorer les performances globales du PBT. La recherche sur la modification des matériaux PBT se concentre principalement sur la haute résistance, le caractère ignifuge élevé, le faible gauchissement, le faible ressuage et les faibles propriétés diélectriques.
1. Propriétés mécaniques
La résine PBT pure a une résistance à la traction, une résistance à la flexion et un module de flexion relativement faibles, ce qui limite son application généralisée dans les domaines industriels. Une modification est nécessaire pour améliorer ses propriétés mécaniques. La fibre de verre (GF) offre des avantages tels qu'une forte applicabilité, des processus de remplissage simples et un faible coût. L'ajout de fibre de verre au PBT permet de bénéficier des avantages inhérents de la résine PBT tout en améliorant considérablement la résistance à la traction, la résistance à la flexion et la résistance aux chocs entaillés des produits PBT.
2. Ignifuge
Le PBT pur ne peut atteindre un indice UL94 HB que lors des tests de combustion verticale. Il est inflammable et coule continuellement lorsqu'il brûle (propagation potentielle des flammes), ce qui limite son application dans les secteurs de l'automobile, de l'électronique/électrique et du textile. Des retardateurs de flamme halogénés et sans halogène sont couramment ajoutés pour la modification ignifuge. Les retardateurs de flamme halogénés libèrent des fumées toxiques contenant des halogénures d'hydrogène lors de leur combustion, ce qui présente des risques pour la santé humaine et l'environnement. L'UE a interdit certains retardateurs de flamme halogénés. Pour la modification ignifuge PBT, des retardateurs de flamme à base de phosphore et inorganiques sont principalement utilisés.
Lors de l'utilisation de retardateurs de flammes inorganiques, un ajout excessif peut dégrader les propriétés mécaniques du matériau. Les retardateurs de flamme à base de phosphore ne partagent pas cet inconvénient et offrent d'excellentes caractéristiques telles qu'une faible fumée, une faible toxicité et un caractère ignifuge élevé. Ils travaillent souvent en synergie avec des composés contenant de l'azote pour obtenir des systèmes ignifuges plus efficaces. Lors de la combustion, les retardateurs de flamme à base de phosphore génèrent de l'anhydride phosphorique, qui provoque la déshydratation et la carbonisation du matériau combustible. La couche de charbon réduit la conduction thermique, retarde ou empêche la génération de gaz inflammables. De plus, l'anhydride phosphorique forme une couche fondue recouvrant la surface combustible, empêchant la libération de gaz inflammables.
Au-delà des ignifugeants traditionnels, l'ajout de nanocharges aux matériaux PBT peut également améliorer les performances ignifuges et anti-gouttes sans compromettre la transformabilité.
3. Déformation par gauchissement
Le matériau PBT présente un glissement moléculaire relativement facile, conduisant à une orientation et une cristallisation élevées, ce qui entraîne des taux de retrait élevés. Cela provoque une déformation par gauchissement dans les pièces en PBT, en particulier celles à parois minces et de grande taille. Pour le PBT renforcé de fibres de verre, la nature anisotrope des fibres de verre ajoutées entraîne des taux de retrait différents dans différentes directions lors du moulage par injection, augmentant ainsi le gauchissement des pièces. Cela affecte non seulement la qualité de surface et les performances d’assemblage des produits en plastique, mais également leur résistance.
Pour remédier au gauchissement des pièces PBT, en plus d'améliorer la conception des pièces, la conception des moules et les paramètres de traitement, la modification du matériau PBT lui-même peut atténuer le gauchissement. Ces dernières années, la déformation par gauchissement des matériaux PBT a été principalement améliorée grâce à l'ajout de charges inorganiques et au mélange/alliage.
De plus, les polymères amorphes comme le polycarbonate (PC), le copolymère acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS) et le copolymère styrène-acrylonitrile (SAN) ne subissent pas de cristallisation lors du moulage par injection. Les mélanger avec du PBT peut réduire efficacement le taux de retrait du PBT.
4. Performances de saignement/exsudation
En raison de réactions incomplètes des matières premières lors de la production du PBT, de petites molécules et oligomères sont générées. Les produits fabriqués à partir de matériau PBT non modifié peuvent présenter des saignements/exsudations dans certaines conditions, affectant la fonctionnalité des pièces. Lorsque les matériaux PBT sont utilisés dans des composants tels que les silencieux de compresseurs de réfrigérateurs, les bobines de bobines de moteur ou les cadres isolants de climatiseurs, les conditions de fonctionnement uniques peuvent provoquer l'exsudation de grandes quantités de petites molécules. Ceux-ci peuvent se dissoudre dans les réfrigérants (par exemple, le fréon, le dichlorodifluorométhane) et potentiellement obstruer les conduites de réfrigérant, entraînant une défaillance du refroidissement.
Les substances qui saignent du PBT sont principalement constituées d’oligomères à petites molécules provenant de la résine elle-même et de petites quantités d’additifs. L'utilisation de fibre de verre, de résines à haute viscosité et le remplissage avec une certaine quantité d'adsorbant peuvent réduire le saignement/exsudation du PBT.
5. Propriétés diélectriques
L'application des matériaux PBT dans les circuits intégrés et le blindage électromagnétique accorde de l'importance à ses propriétés diélectriques, qui affectent la vitesse et la perte de transmission du signal. Ces dernières années, des exigences plus strictes ont été imposées aux propriétés diélectriques des matériaux isolants, exigeant des constantes diélectriques ne dépassant pas 2,8 pour les matériaux isolants en résine. Les propriétés diélectriques du PBT pur ne peuvent pas répondre aux exigences de communication, ce qui rend important le développement de matériaux PBT à faible constante diélectrique et à faible perte diélectrique.
Actuellement, la modification des propriétés diélectriques du PBT implique principalement le remplissage ou le mélange avec des copolymères à faible constante diélectrique. Les charges couramment utilisées comprennent la poudre de polytétrafluoroéthylène (PTFE) et les microsphères de verre creuses. Les nanotubes de carbone ont également un impact positif sur les propriétés diélectriques du PBT, mais un ajout excessif peut augmenter à la fois la constante diélectrique et la perte diélectrique.
Avec le développement rapide des véhicules électriques (VE), la transmission haute tension impose des exigences plus élevées en matière de rigidité diélectrique des matériaux des connecteurs. Bien que le PBT ait une bonne résistance à l’arc et soit adapté au moulage à grande vitesse, sa faible rigidité diélectrique empêche son utilisation pour la transmission haute tension dans les véhicules électriques. La modification des propriétés diélectriques du PBT avec des charges conductrices ou céramiques peut améliorer la rigidité diélectrique pour garantir la sécurité des véhicules électriques.
II. Applications des plastiques techniques PBT modifiés
1. Domaine automobile
Avec le développement progressif du « remplacement de l'acier par des plastiques », de plus en plus de métaux et d'alliages non ferreux sont remplacés par des plastiques. La bonne résistance chimique du PBT, sa résistance aux fissures sous contrainte, sa résistance à l'usure, sa résistance aux intempéries, sa résistance au vieillissement et sa haute résistance le rendent largement utilisé dans les pièces extérieures automobiles. Les exemples incluent les supports de bras d'essuie-glace, les pare-chocs, les poignées de porte, les boîtiers de rétroviseurs, les panneaux de soubassement, les panneaux latéraux de carrosserie, les ventilateurs de radiateur, les couvercles transparents aux radars, les grilles d'angle et les composants d'éclairage.
En raison de ses bonnes propriétés de transformation et d'isolation, le PBT est également largement utilisé dans les composants intérieurs automobiles, tels que les tableaux de bord, les pédales d'accélérateur/d'embrayage, les cendriers et les supports de rétroviseurs intérieurs. De plus, en raison de sa bonne résistance à l’huile, le PBT est utilisé dans les pièces des systèmes de moteurs automobiles, telles que les composants du système de carburant et les sous-plaques de bougies d’allumage. Le PBT modifié par alliage a été appliqué ces dernières années à des pièces telles que les bagues et les roulements d’amortisseurs. Le PBT modifié, avec ses avantages d'un bon pouvoir ignifuge, de propriétés diélectriques, d'un faible gauchissement et d'une faible absorption d'eau, est également largement utilisé dans les composants de moteurs automobiles.
2. Domaine de l'électronique/appareils électriques
En raison de ses faibles propriétés diélectriques, de son faible gauchissement, de son caractère ignifuge élevé, de sa ténacité élevée, de sa résistance au vieillissement et de son respect de l'environnement, le PBT est largement utilisé dans l'électronique et les appareils électriques. Les exemples incluent les boîtiers d'ordinateurs, les allumeurs, les interrupteurs électriques, les photocopieurs, les bobines de transformateur, les pièces de grille-pain et les couvercles en fer. De plus, du PBT modifié doté d'excellentes propriétés diélectriques et d'une facilité de traitement peut être utilisé pour les couvercles de base, les boîtiers et les bobines d'appareils.
Les équipements de communication utilisent également largement le PBT, par exemple les boîtiers de connexion, les ports réseau et les châssis intermédiaires pour les téléphones mobiles et les ordinateurs portables. Le PBT modifié est également utilisé pour fabriquer des composants de culots de lampes à économie d'énergie.
3. Domaine des machines et équipements
En raison de son caractère ignifuge et de sa résistance à la chaleur élevés, le PBT est largement utilisé dans les machines et équipements, tels que les cames, les engrenages, les pièces d'appareil photo, les boîtiers de montres, les couvercles de lampes au mercure et divers boutons. Les bobines de bobines courantes nécessitent des matériaux à haute résistance à la rupture d'isolation pour éviter les pannes électriques pendant l'utilisation. Lorsqu'il est utilisé dans des composants tels que des réfrigérateurs, un faible saignement/exsudation est également nécessaire pour empêcher les exsudats de petites molécules de provoquer une défaillance mécanique des composants.
En raison de son excellent caractère ignifuge, de sa bonne fluidité, de ses faibles propriétés diélectriques et de sa facilité de moulage, il est utilisé dans la fabrication de ventilateurs de refroidissement, tels que ceux pour les processeurs d'ordinateurs, les alimentations électriques, les moteurs et les applications similaires de dissipateurs thermiques.
4. Domaine de communication
En raison de ses bonnes propriétés diélectriques, de sa transformabilité/moulage, de sa stabilité dimensionnelle et de son coefficient de dilatation linéaire relativement faible, le PBT est largement utilisé dans le domaine des communications. Dans la communication sans fil, des nanoparticules de Fe₃O₄ sont ajoutées aux composites PBT pour augmenter l'absorption des ondes électromagnétiques pour le blindage magnétique, réduisant ainsi les risques de rayonnement électromagnétique pour les humains. Cela le rend approprié comme substrat plastique pour les composants de base des équipements de communication haute puissance.
Le PBT est également utilisé pour produire des connecteurs pour la transmission du signal. Le PBT modifié possède non seulement l'isolation, le caractère ignifuge et la résistance aux intempéries requis pour les connecteurs, mais offre également des avantages en termes de coûts et une bonne aptitude au moulage, ce qui le rend adapté à la production de connecteurs. Il est largement utilisé dans les ports de câbles TV et réseau, ainsi que pour les connexions et les transmissions entre divers composants d'unité dans les véhicules à énergie nouvelle.
III. Conclusion
Plusieurs méthodes de modification différentes ont été développées pour remédier aux défauts de performances spécifiques des plastiques techniques PBT dans divers domaines d'application. Grâce à des méthodes de modification telles que le remplissage, le mélange et la préparation de nanocomposites, le PBT peut atteindre d'excellentes propriétés de résistance élevée, d'ignifugation élevée, de faible déformation, de faible saignement et de faibles propriétés diélectriques, répondant ainsi aux exigences des domaines de l'automobile, de l'électronique/électrique, de la fibre optique, du textile et d'autres domaines.
Les efforts futurs devraient se concentrer sur le développement de matériaux PBT qui s’alignent sur les objectifs environnementaux à faible émission de carbone et sur les exigences de matériaux de haute qualité de diverses industries. En faisant progresser les technologies de modification pour accélérer le développement de produits PBT fonctionnels, la combinaison de plusieurs stratégies de modification peut éviter les inconvénients associés aux méthodes uniques, conduisant à des matériaux PBT dotés de fonctionnalités supplémentaires élevées. L'accent devrait être mis sur l'expansion des applications des matériaux PBT dans les domaines de la conductivité thermique, de la biotechnologie et du blindage électromagnétique, permettant ainsi leur utilisation dans un nombre croissant de domaines.
