EoW May 2008

français

Élastomères oléfiniques pour applications de fils et câbles

Par Day-Chyuan Lee, Ray Laakso, Larry Gross et Jack Muskopf, The Dow Chemical Company

Résumé Les matériaux polymériques d’isolement et de gainage représentent des moyens fiables et économiquement rentables pour la protection des câbles, des fils et des fibres utilisés aujourd’hui dans les applications de transmission de puis- sance et de données. Le choix du revêtement polymérique pour une application spécifique dépend de nombreux facteurs comme les propriétés électriques, environnementales et physiques requises pour le câble. Les composés plastiques et élastomériques représentent deux des classes de matériaux les plus communs utilisés dans la majorité des configurations de fils et de câbles. Grâce à ses performances satisfaisantes et à son coût relativement réduit, le polyéthylène est l’un des matériaux plastiques les plus utilisés dans le secteur des fils et des câbles, en maintenant ainsi une vaste portion de marché. Comme dans le cas des plastiques, les câbles réalisés en utilisant des composés élastomériques possèdent des caractéristiques de performance spécifiques en fonction de leur architecture polymérique particulière. Les élastomères sont des polymères caractérisés par une extrême extensibilité élastique et flexibilité lorsqu’ils sont soumis à des sollicitations mécaniques relativement réduites. La comparaison entre l’architecture polymérique du polyéthylène et trois élastomères actuellement commercialisés (éthylène-octène (EO) (ou–éthylène-butène (EB)), le polyéthylène chlorifié (CM) et l’EPDM (terpolymère d’éthylène propylène diène) révèle les similitudes et les différences de ces classes de matériaux et offre un aperçu des caractéristiques de leurs performances. La totalité de ces polymères présente une structure de base saturée, mais la flexibilité, la nature tactile e les performances de ces composés sont très différentes. Les matériaux élastomériques EO/EB, CM, ou EPDM les plus amorphes ont tendance à produire des composés qui sont plus flexibles que les composés de polyéthylène. La présente étude donne une vue d’ensemble du rôle des polymères élastomériques dans les applications des fils et des câbles et examine les similitudes et les différences des matériaux en fonction de leur architecture polymérique, en axant l’attention sur les résines élastomériques. Les rapports entre la structure et les propriétés seront en particulier soulignés pour expliquer plus clairement les principaux avantages et désavantages offerts par chaque type de polymère à l’industrie des fils et des câbles. Les élastomères peuvent être utilisés dans une vaste gamme d’applications, y compris les systèmes thermoplastiques et thermodurcis tels que: gainage, isolement, matériau de remplissage, faible émission de fumées sans halogène et isolement à basse tension. Des données techniques relatives à l’utilisation de ces polymères dans des applications de fils et câbles typiques seront présentées dans un but explicatif.

1. Structure des élastomères

Les élastomères de polyoléfine commerciaux sont des co-polymères d’éthylène avec une ou plusieurs alpha-oléfines élevées telles que l’éthylène-octène (EO), l’éthylène-hexène (EH), ou l’éthylène-butène (EB) comme représenté à la Figure 1 . Les caoutchoucs à base d’éthylène-propylène (EPR) sont des co-polymères à base d’éthylène et de propylène arrangés de façon aléatoire pour produire des polymères caoutchoutés et stables. Un troisième monomère diénique non-conjugué peut être terpolymérisé d’une façon contrôlée afin de maintenir une structure de base saturée et de placer l’insaturation réactive dans une chaîne latérale disponible pour la chimique de vulcanisation ou de modification des polymères. La désignation ASTM pour le EPR est EPM pour les copolymères et EPDM pour les termopolymères où «E» indique l’»éthylène», «P» le propylène, «D» le «diène» et «M» une chaîne saturée du type de polyméthylène. Une structure polymérique EPDM avec éthylidène norbornène (ENB) comme le monomère diénique est illustré à la Figure 2 . Le polyéthylène chlorifié (CPE) est un élastomère synthétique produit par la chloration contrôlée de la matière première d’alimentation du polyéthylène [1] avec des atomes de chlore distri- bués au hasard sur le squelette polymérique. Une structure chimique généralisée pour le CPE est représentée à la Figure 3 . La désignation ASTM pour le CPE est CM ou chloropolyéthylène où «C» indique le «chlore» et «M» indique une chaîne saturée du type polyméthylènique. Grâce à leur structure de base polymérique stable e saturée, les composés obtenus d’élastomères d’éthylène sont précieux pour leur excellente combinaison de résistance thermique et à l’huile comme indiqué et classé par la spécification ASTM D2000/ SAE J200 [2,3] et représenté à la Figure 4: Outre leur durabilité dans des conditions environnementales difficiles, la flexibilité de ces composés permet une installation aisée des câbles et la réalisation d’épissures et des raccordements fiables, surtout dans des conditions de température très basse. Ces caractéristiques en font donc des candidats intéressants pour l’isolement et le revêtement des câbles. Les gammes de flexibilité des élastomères d’éthylène comparées à d’autres matériaux plastiques sont illustrées à la Figure 5 .

Figure 1 ▲ ▲ : Structure élastomère d’éthylène-butène

Figure 2 ▲ ▲ : Structure du EPDM contenant éthylidène- norbornène (ENB)

Figure 3 ▲ ▲ : Structure du CPE

chaîne pouvant être modifiées pour optimiser les performances de différents élastomères d’éthylène commerciaux. 2.1 Cristallinité et poids moléculaire Une disposition ordonnée et régulière d’atomes ou des groupes d’atomes peut former une structure cristalline. La cristallinité et le point de fusion cristallin dépendent de la longueur des blocs des segments d’éthylène et des imperfections cristallines des élastomères d’éthylène. Par rapport aux copolymères d’éthylène avec alpha-oléfines plus élevées, le copolymère d’éthylène-propylène présente typiquement des blocs d’éthylène plus courts et avec plus de défauts dans la phase cristalline. La cristallinité du CPE peut être ajustée au moyen du processus de chloration pour obtenir un produit amorphe ou semi-cristallin Le niveau de cristallinité du polyéthylène résiduel joue également un rôle dans le contrôle des propriétés physiques glo-bales du CPE. Les blocs d’éthylène sont trop courts dans un copolymère statistique pour donner comme résultat une cristallinité significative et un polymère amorphe. Le copolymère d’éthylène amorphe est doux et malléable et il présente généralement des propriétés physiques inférieures à celles d’un élastomère avec une cristallinité supérieure. À environ 60 wt% d’éthylène, un élastomère oléfinique présente une cristallinité et une rigidité suffisantes pour être granulé. Du fait du processus de chloration, le CPE se présente toujours sous forme de poudre indépendamment de la cristallinité. La cristallinité exerce une forte influence sur les propriétés physiques. Par exemple, au rythme de l’augmentation de la cristallinité, du module et de la résistance à la traction même la dureté et la résistance

2. Relation entre la structure et les propriétés

La cristallinité, le poids moléculaire (MW), la distribution de poids moléculaire (MWD), la ramification, le type/niveau de copolymère/diène et le contenu de chlore représentent certaines des principales variables de l’architecture de la

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EuroWire – Mai 2008