vignette|Fibres de polyester observées au MEB.
Un polyester est un polymère dont les motifs de répétition de la chaîne principale contiennent la fonction ester.
Synthèse La méthode de synthèse la plus simple et la plus courante est appelée polycondensation par estérification. Il s'agit de la réaction d'un diacide carboxylique ou de l'un de ses dérivés comme le dianhydride d'acide avec un diol, donnant l'ester et un autre composé (eau, acide carboxylique).
Il est aussi possible de synthétiser un polyester à partir : d'acides hydroxylés comme les acides α-hydroxylés, la polymérisation est aussi une polycondensation ; de di-esters et de diols, on parle alors de polycondensation par transestérification ; de lactones, la polymérisation a lieu alors par ouverture de cycle ; de di-esters cycliques (glycolide, lactide), la polymérisation a lieu aussi par ouverture de cycle.
Classification
Selon la structure de la chaîne squelettique, on peut établir le tableau ci-dessous :
Familles Exemples Types de polymérisation Homopolyester aliphatique Polyglycolide ou Poly(acide glycolique) (PGA) Polymérisation par ouverture de cycle du glycolide ou polycondensation de l'acide glycolique Poly(acide lactique) (PLA) Polymérisation par ouverture de cycle du lactide Polycaprolactone (PCL) Polymérisation par ouverture de cycle de caprolactone Polyhydroxyalcanoate (PHA) Polymérisation bactérienne ou par ouverture de cycle Poly-β-hydroxybutyrate (PHB) Copolyester aliphatique Polyéthylène adipate (PEA) Polybutylène succinate (PBS) Polycondensation de l'acide succinique avec le butane-1,4-diol Copolyester semi-aromatique Polytéréphtalate d'éthylène (PET) Polycondensation de l'acide téréphtalique avec l'éthylène glycol Polytéréphtalate de butylène (PBT) Polycondensation de l'acide téréphtalique avec le butane-2,3-diol Polytéréphtalate de triméthylène (PTT) Polycondensation de l'acide téréphtalique avec le propane-1,3-diol Polyéthylène naphtalate (PEN) Polycondensation de l'acide diméthyl-2,6-naphtalènedicarboxyliqueDiméthyl-2,6-naphtalènedicarboxylate : 2,6-NDC, . avec l'éthylène glycol Homo- et copolyester aromatiques Polyarylate
En allant des polyesters aliphatiques vers les polyesters aromatiques, la température de transition vitreuse (T), la température de fusion (T), la stabilité thermique, la stabilité chimique, s'améliorent.
Les polyesters peuvent être des oligomères téléchéliques comme le polycaprolactone diol (PCL) et le polyéthylène adipate diol (PEA). Ils sont alors utilisés comme pré-polymères.
Les polyesters peuvent être des matières thermoplastiques ou thermodurcissables, on parle dans ce dernier cas de polyester insaturé (désigné par le sigle UP).
Le polytéréphtalate d'éthylène (PET) est un polymère de grande consommation. Il est formé par transestérification catalysée ou par estérification.
La fibre textile PET est de plus en plus utilisée dans la fabrication de vêtements. Le PET est aussi utilisé pour fabriquer des bouteilles transparentes pour boissons.
Historique vignette|Structure du polytéréphtalate d'éthylène (PET). Le polytéréphtalate d'éthylène fut breveté en 1941 par deux chimistes britanniques de Manchester, John Rex Whinfield et James Tennant Dickson. Ces chimistes participèrent aussi à l'invention du Térylène en 1941, marque de fibre textile du groupe ICI, dont les brevets furent rachetés en 1945 par le groupe américain DuPont de Nemours. Ce dernier créa ensuite le Dacron (1950) et le Mylar (1952).
En France, la fibre polyester est apparue en 1954 sous la marque (équivalent du Dacron de DuPont), créée par la firme Rhodiacéta. Pour la petite histoire, le terme « Tergal » est formé de « Ter » (pour « polyester ») et « gal » (pour « gallicus »), c'est en somme le « polyester gaulois » (Rhodiaceta fut une firme de Rhône-Poulenc).
Il existe d'autres noms commerciaux pour les fibres textiles : Diolen (Allemagne), Terlenka (Pays-Bas), Terital (Italie), Dacron (États-Unis), Térylène (Grande-Bretagne) et Lavsan (Russie).
Au début des années 1950, sont apparues les résines polyester liquides utilisées dans la fabrication de pièces composites (polyesters thermodurcissables). La première grande application industrielle a été la réalisation de pièces de carrosserie des voitures de modèle Corvette.
Usage Fibres, films, bandes Le polyester sert surtout à fabriquer des fibres textiles synthétiques, dont les plus connues sont le Tergal et le Dacron. C'est la fibre synthétique la plus produite dans le monde. Elle représente environ 70 % des fibres synthétiques utilisées dans le vêtement (vêtements de sport, maillots de bain, tenues).
Outre son utilisation très répandue dans l'habillement, souvent en mélange avec d'autres fibres, notamment le coton et la laine, ces applications se sont diversifiées dans l'industrie, notamment sous forme de films en agriculture et dans les travaux publics (géotextiles). Il est utilisé dans les emballages pour la conservation de la viande.
En se substituant pour la fabrication des bandes aux supports fragiles classiques tels que l'acétate, le polyester permit dans les années 1970 une généralisation de l'enregistrement magnétique chez les particuliers.
Le polyester (principalement sous forme de polyéthylène téréphtalate, PET) est la fibre synthétique la plus produite dans le monde. Selon le rapport Preferred Fiber & Materials Market Report publié annuellement par Textile Exchange, le polyester représente plus de la moitié de la production mondiale totale de fibres textiles tous matériaux confondus, et environ 80 % des fibres synthétiquesMaterials Market Report, Textile Exchange.. Sa popularité s'explique par un faible coût de production, une bonne résistance mécanique, une faible absorption d'humidité, et la possibilité d'ajuster ses propriétés (densité, finition, traitement ignifuge) en fonction de l'application visée. Au-delà de l'habillement, les fibres polyester sont largement utilisées dans les textiles techniques : géotextiles, matériaux composites, textiles d'ameublement, équipements de protection individuelle.
Recyclabilité Section à compléter sur tout ces types de matériaux.
Polyester insaturé Le polyester insaturé ( - UPR) est la résine la plus répandue dans la fabrication de matériaux composites. Il s'agit d'une résine thermodurcissable liquide, à laquelle on ajoute des charges. Il s'agit en général de composites à faible coût (coût matière d'environ , pour le renfort en fibre de verre plus la résine polyester).
Applications Les polyesters insaturés se situent au deuxième rang des résines thermodurcissables les plus utilisés. La consommation mondiale annuelle de résines polyester insaturées (UP) est d’environ , soit 20 % des résines thermodurcissables, derrière les polyuréthanes (50 %). Les résines UP sont utilisées dans une très large gamme d’applications : sous forme de revêtements (20 %) pour la protection UV ou chimique ; sous forme de composites renforcés par des fibres (80 %).
Ces résines UP sont utilisées dans 65 % des composites confondus, soit 87 % des composites à base de thermodurcissable (données en part de marché). Deux marchés sont majoritaires, à savoir le transport et le bâtiment à hauteur d’un tiers et d’un quart de la consommation totale. Par exemple, dans le domaine du transport ferroviaire, les composites à base de résines UP constituent les cadres de fenêtre des trains, les étagères à bagage, les cadres des sièges ou encore dans le nez du train. Il est donc nécessaire d’ajuster au mieux les propriétés physico-chimiques des composites, afin de répondre au cahier des charges de chaque application.
Types de résines polyesters insaturés Il existe différentes catégories de polyesters insaturés en fonction de leur structure. Chaque catégorie possède des propriétés physico-chimiques et mécaniques différentes. Les principales catégories de résines sont : résines orthophtaliques ; résines isophtaliques ; résines DCPD ; résines bisphénol A-fumarate ; résines halogénées.
Les résines orthophtaliques sont les résines de grande commodité, peu chères et sont synthétisées à partir d'anhydrides orthophtaliques et maléiques. Cependant, ces résines ont des résistances thermiques et chimiques limitées. En 2017, le marché des résines orthophtaliques a enregistré un total de de dollars de chiffre d'affaires. D'ici 2024, une croissance de 7,2 % du chiffre d’affaires est attendue grâce au secteur des composites renforcés avec des fibres.
Le marché des résines isophtaliques prévoit une croissance de 6 % du chiffre d’affaires et prévoit de dépasser les deux millions de tonnes vendues d’ici 2024. Les résines isophtaliques sont synthétisées à partir d’acide isophtalique. Ces derniers, sont plus chères et plus visqueuses que les résines orthophtaliques, elles possèdent une meilleure résistance chimique et à l'hydrolyse. Ces résines sont majoritairement utilisées dans le domaine nautique, du pétrole et gaz, du transport, de la construction et de l’industrie.
Les résines DCPD sont des résines polyesters modifiées par incorporation de dicyclopentadiène. Ces résines possèdent des propriétés de séchage améliorées lorsque la résine est en contact avec l’air, de hautes températures de fléchissement sous charge (HDT), des viscosités faibles ainsi que de meilleures résistances chimiques. Elles sont synthétisées à partir du dicyclopentadiène, l’anhydride maléique et de glycols. Une première réaction est réalisée en présence d’eau afin de générer de l’acide maléique à partir de son anhydride afin de former par la suite le maléate de dicyclopentadiène. Ce maléate est ensuite estérifié avec les glycols afin de former le prépolymère polyester insaturé.
alt=Réaction entre l'acide maléique et le dicyclopentadiène|centré|vignette|600px|Réaction entre l'acide maléique et le dicyclopentadiène.
Les résines bisphénol A-fumarate sont synthétisées à partir de bisphénol A éthoxylé ou propoxylé et d’acide fumarique. La structure aromatique apportée par le améliore les résistances thermique et chimique de la résine ainsi que sa température de fléchissement sous charge. Plus chères, ces résines ont toutefois une meilleure résistance à l’hydrolyse par rapport aux autres résines polyesters insaturées.
Une résistance à la flamme peut être apportée aux résines polyesters insaturées avec l’introduction de monomères halogénés et plus particulièrement chlorés ou bromés. Les acides saturés d’une résine sont ainsi remplacés partiellement avec de l’anhydride tétrabromophtalique, de l’anhydride tétrachlorophtalique ou de l’anhydride chlorendique. Du brome peut être également incorporé avec l’utilisation de dibromonéopentyl glycol. Le désavantage de ces formulations est la production de produits et de fumées toxiques lorsqu’elles sont exposées à la flamme.
Monomères utilisés Le prépolymère polyester insaturé est synthétisé par réaction entre des polyols avec des diacides ou des anhydrides insaturés ou saturés. En fonction des monomères employés lors de la synthèse du polyester, les propriétés physico-chimiques du polyester varient. Le nombre de glycols et diacides/anhydrides existants étant relativement important, il est nécessaire de connaître les propriétés apportées par chacun de ces monomères afin de proposer un polyester adapté au cahier des charges imposé. Dans la partie suivante, les monomères les plus utilisés sont décrits d’un point de vue structure, rôle et des propriétés apportées sur le polyester synthétisé.
Polyols