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caoutchouc

(mot d'une langue indigène du Pérou)

Récolte du latex
Récolte du latex

Produit naturel tiré d'Hevea brasiliensis et constitué essentiellement de polyisoprène.

Introduction

L'application la plus connue du caoutchouc est le pneumatique : avions, camions, tracteurs, engins de travaux publics, voitures, motocyclettes et bicyclettes en sont dotés. Mais cette application est loin d'être la seule. Ainsi, le développement fantastique de l'industrie électromécanique repose, en grande partie, sur le caoutchouc du fait de ses propriétés isolantes et mécaniques exceptionnelles : élasticité d'abord (d'où le nom d'élastomère donné aux caoutchoucs), résistance aux chocs, qualités d'amortissement des vibrations et des bruits. Le caoutchouc s'impose quand il faut amortir des vibrations ne mettant en jeu que des puissances faibles ou des chocs, dans le cas des semelles de chaussures par exemple. Il peut aussi être considéré comme un amortisseur de vibrations – au sens mécanique du terme –, l'énergie absorbée au cours de ces sollicitations mécaniques étant alors dissipée sous forme de chaleur. Pour des applications statiques (cales, joints de machines, de bâtiments, de tuyauteries), sa déformabilité est la qualité la plus appréciée. Pour les applications cinématiques telles qu'articulations élastiques, clapets, membranes et obturateurs de pompe, joints de transmission, on recherche son élasticité et ses possibilités de déformation alternée (allongement-compression). Grâce à son élasticité maximale et à ses propriétés d'absorption des vibrations, le caoutchouc est utilisé dans les suspensions de moteur et de machine, dans celles du T.G.V. et des trains d'atterrissage d'avion, dans les accouplements de laminoir et de mélangeur, dans les butées de chocs. Le caoutchouc entre aussi dans la composition de matériaux composites de complexité croissante : caoutchouc-métal, caoutchouc et fibres diverses (courroies de puissance ou transporteuses dans lesquelles le caoutchouc lie les fibres et les protège contre l'usure et l'attaque chimique). Ses propriétés adhésives exceptionnelles l'ont rendu indispensable dans la confection de joints adhésifs à chaud, de colles, de rubans adhésifs. Enfin, les applications directes du latex, du caoutchouc naturel et des élastomères sont nombreuses : gants, préservatifs, ballons de baudruche, articles chirurgicaux, envers de tapis et de moquettes, matelas.

Dates clés du caoutchouc

DATES CLÉS DU CAOUTCHOUC

Époque précolombienne
Les Indiens Mayas et les Aztèques utilisent la sécrétion de « arbre qui pleure », cao-chu, pour confectionner des jouets, des balles et imperméabiliser leurs mocassins.
Vers 1740Charles Marie de La Condamine, explorateur du Pérou, comprend l'intérêt potentiel commercial de cette gomme et en envoie des échantillons en France.
1820Thomas Hancock parvient à assouplir le caoutchouc par un travail mécanique entre deux cylindres, la « mastication ».
1823Charles Macintosh réalise les premières toiles imperméables à partir de solutions de caoutchouc.
1839Charles Goodyear découvre la vulcanisation, traitement du caoutchouc par le soufre, qui améliore ses propriétés mécaniques et sa résistance aux variations de température.
1876Le Britannique Henry Wickham récolte et exporte hors du Brésil 70 000 graines. 2 600 germeront ; il n'en restera que 22 plants, point de départ de la diffusion de l'hévéa à travers le Sud-Est asiatique et de toutes les plantations existant à ce jour.
1888Création par John B. Dunlop du premier bandage pneumatique.
1920-1939Apparition des premiers caoutchoucs synthétiques : polybutadiènes (PB), copolymères de butadiène et de styrène (SBR), polychloroprènes (CR).
1940-1945Essor de l'industrie du caoutchouc synthétique SBR en Allemagne et aux États-Unis, provoqué en 1942par la mainmise japonaise sur la production de caoutchouc naturel du Sud-Est asiatique, qui représentait alors près de 90 % de la production mondiale.
1950-1960Mise au point de procédés de synthèse en solution faisant appel à des catalyseurs conduisant à la fabrication d'élastomères stéréoréguliers, polybutadiène, polyisoprène, et à une grande variété d'élastomères spéciaux.

 

Le caoutchouc

Est considéré comme « caoutchouc » un matériau souple (faible rigidité), hautement déformable (pouvant atteindre de grands allongements avant rupture) et élastique (récupération de la forme initiale). Ce caoutchouc appartient à la famille des polymères, comme les matières plastiques ou certains produits naturels tels que le coton, la laine, la soie ou le bois. Chaque molécule de polymère est constituée d'une longue chaîne de monomères, tous identiques. Dans le cas du caoutchouc, les chaînons monomères peuvent s'articuler librement les uns avec les autres, à la température ambiante : la chaîne est alors très flexible ; elle bouge constamment de façon désordonnée et tend spontanément à se pelotonner au cours de ses mouvements. Il faut alors exercer une certaine force à ses extrémités pour l'étirer : elle se comporte comme un ressort. Un morceau de caoutchouc brut est constitué par un très grand nombre de chaînes enchevêtrées les unes dans les autres. Si l'on étire légèrement un morceau de caoutchouc brut, chaque ressort, chaque chaîne s'allonge. Après relâchement, le matériau retrouve pratiquement sa forme initiale ; il est donc élastique. Si ce même morceau de caoutchouc est soumis à une élongation plus importante et s'il est maintenu ainsi un certain temps, les chaînes, en dépit de l'enchevêtrement, auront tendance à glisser les unes par rapport aux autres ; après cessation de la contrainte, le morceau de caoutchouc ne reprendra pas sa forme initiale : il a donc aussi un certain comportement plastique. Pour obtenir un matériau vraiment élastique, c'est-à-dire qui retrouve intégralement sa forme originelle après déformation, il faut empêcher les chaînes de glisser les unes par rapport aux autres en les reliant entre elles par des nœuds, des ponts, constituant ainsi une sorte de filet, un réseau. La vulcanisation, cuisson à chaud, est l'opération qui consiste à créer des liaisons chimiques en ponts de sorte que l'enchevêtrement de chaînes séparées devienne un réseau tridimensionnel unique. Le caoutchouc reste alors élastique tout en conservant une certaine plasticité.

Le caoutchouc naturel

Le caoutchouc naturel provient du latex d'un arbre d'origine amazonienne, l'Hevea brasiliensis. Ce latex est contenu dans un réseau de fins canaux reliés entre eux, logés dans l'écorce de l'arbre, le manteau laticifère. Le latex coule de l'arbre après saignée, c'est-à-dire à la suite d'une incision faite en enlevant au moyen d'un couteau ou d'une gouge un fin ruban d'écorce suivant une spirale descendante couvrant généralement une demi-circonférence du tronc. Il s'écoule pendant 2 à 4 heures dans un récipient. C'est un liquide blanc, laiteux qui contient 1/3 environ de cis-polyisoprène, 10 % d'éléments minéraux et organiques, le reste étant de l'eau. Produit très instable s'il n'est pas préservé par des produits chimiques appropriés, il coagule spontanément. Quelle que soit sa présentation, solide ou liquide, il est transporté en usine, où il subit un traitement chimique, mécanique et thermique.

Liquide, il est soit conservé sous forme de latex et centrifugé jusqu'à élever sa teneur en caoutchouc à 60 %, soit coagulé artificiellement au moyen d'acide formique ou d'acide acétique dilué. Dans ce cas, on obtient un coagulum, sorte de fromage blanc élastique, gorgé d'eau, qui est découpé en feuilles ou en granulés et lavé avant d'être séché et parfois fumé. Après pressage, le produit sec est livré sous forme de balles. S'il résulte de la coagulation naturelle du latex, il est découpé en granulés, lavé énergiquement, séché et pressé en balles.

Une plantation d'un hectare d'hévéas sélectionnés peut produire actuellement 2 000 kg par an, soit 5 à 7 kg par arbre suivant l'âge et la densité. L'exploitation d'un arbre commence 5 à 7 ans après sa plantation et dure 25 à 30 ans.

Si le caoutchouc naturel subit aujourd'hui la concurrence, parfois âpre, des élastomères de synthèse, il conserve une place privilégiée (1/3 du marché du caoutchouc) grâce à un ensemble de propriétés spécifiques : faible échauffement interne au roulement (pneus d'avion et de poids lourds) ; haute qualité d'amortissement des vibrations et du bruit ; haute résistance au déchirement et à la propagation d'entaille ; aptitude au collage et résistance à cru élevées ; adhésivité. Les points faibles du caoutchouc naturel sont une résistance médiocre aux huiles, aux carburants ainsi qu'au vieillissement par la chaleur, l'air, l'oxygène et l'ozone.

Les élastomères de synthèse

L'industrie chimique est capable aujourd'hui de produire une grande diversité de monomères dérivés du pétrole et de synthétiser des molécules en chaîne par addition ou condensation d'un, de deux, de trois ou de séquences de ces monomères : polymères, copolymères, terpolymères, polymères séquencés. Les caoutchoucs synthétiques, ou élastomères de synthèse, appartiennent à de nombreux types chimiques. L'ingénieur dispose d'une palette étendue d'élastomères, dont chacun a ses avantages, ses inconvénients et son domaine particulier d'utilisation. On a l'habitude de répartir les élastomères de synthèse en deux classes : pour usage général ou pour usages spéciaux.

Les élastomères à usage général ont des propriétés suffisamment équilibrées et ils sont en même temps assez bon marché pour être utilisés en tonnages importants dans leurs domaines d'application. Le copolymère de styrène et de butadiène SBR est l'élastomère le plus répandu dans le monde ; il sert à la fabrication de certaines parties des pneumatiques, des courroies, des tuyaux, des dallages « en caoutchouc », des envers de tapis et moquettes. Le polyisoprène de synthèse IR est la réplique chimique du caoutchouc naturel. Il en possède presque toutes les propriétés mais son prix est plus élevé. Le polybutadiène BR, en mélange avec d'autres élastomères, entre dans la confection de certaines parties des pneumatiques (flancs, bandes de roulement) car il confère une bonne résistance à l'abrasion et à la fatigue. Le polychloroprène CR, résistant bien à la corrosion, est utilisé en câblerie, pour la confection de certains joints et la réalisation de feuilles étanches (toitures, réservoirs d'eau). Le copolymère d'éthylène et de propylène sert à la fabrication, entre autres, des joints de pare-brise et de portières d'automobile car il résiste à l'ozone et à la lumière.

Dans les élastomères à usages spéciaux, des propriétés spécifiques ont été développées au détriment de l'équilibre général et souvent sans tenir compte du prix. Ils sont réservés aux applications de haute technologie, dans les transports, l'air et l'espace. Il en est ainsi des caoutchoucs butyl IIR et butyl halogénés, imperméables aux gaz et résistants à la chaleur ; des copolymères d'acrylonitrile et de butadiène, du caoutchouc nitrile NBR et des caoutchoucs nitriles hydrogénés, des caoutchoucs de polysulfure, des élastomères fluorés, résistants aux huiles et aux carburants à moyenne et haute températures ; des élastomères silicones SI, résistant à des températures comprises entre − 100 et + 300 °C.

Enfin, il existe des élastomères thermoplastiques, solides et élastiques à température ambiante, plastiques à température élevée. Leur mise en œuvre est réversible alors que la vulcanisation est un phénomène irréversible. Ils sont utilisés pour des applications très spécialisées, à la limite d'emploi des matières plastiques.

Mise en œuvre des élastomères

Toute réalisation technique (pièce, enduction ou assemblage complexe) doit satisfaire les spécifications du cahier des charges mis au point par l'utilisateur, document qui décrit notamment les contraintes d'utilisation et d'environnement que devra affronter le futur matériau : chaleur ou froid, huiles et carburants, solvants ou produits chimiques agressifs, sollicitations dynamiques ou statiques. La formulation consiste à choisir les élastomères répondant aux lignes fondamentales du cahier des charges puis à ajouter et à doser les ingrédients entrant dans le mélange pour obtenir le meilleur équilibre entre les propriétés requises : charges renforçantes (noirs de carbone, silice), semi-renforçantes (kaolin) ou inertes, permettant d'ajuster les propriétés mécaniques ; plastifiants (huiles), facilitant l'incorporation des charges et conférant de la souplesse au produit fini ; ingrédients de vulcanisation (soufre, oxyde de zinc, acide stéarique, accélérateurs, produits spéciaux), produits organiques, améliorant la résistance au vieillissement ; enfin, produits divers tels que colorants, cires, agent gonflant (caoutchouc mousse). Un mélange peut contenir jusqu'à trente ingrédients différents.

Ces ingrédients, une fois sélectionnés et pesés, doivent être incorporés au caoutchouc au moyen d'un mélangeur horizontal à deux cylindres ou d'un mélangeur interne ; ce mixage est une opération coûteuse en énergie mécanique. La pâte plastique ainsi obtenue est ensuite mise en forme par extrusion, calandrage ou moulage. L'extrusion consiste à faire passer le mélange dans une filière de profil choisi, correspondant à celui des produits finis à obtenir : bandes, joncs, tubes pour gainer des câbles ou réaliser des joints de formes complexes (par exemple, pour les portières ou le pare-brise en automobile). Les calandres, formées, comme les laminoirs, de plusieurs cylindres ajustables pour tenir compte de l'amincissement progressif, permettent d'obtenir avec une grande précision des feuilles, des enductions ou des assemblages de fils textiles ou métalliques. Ces produits sont ensuite vulcanisés directement, mais ils peuvent entrer préalablement dans des assemblages complexes (pneumatiques) vulcanisés globalement. Les joints, liaisons élastiques, amortisseurs et dispositifs antivibratoires, simples ou complexes, sont mis en forme par moulage puis vulcanisés. La vulcanisation, qui change la structure physique des mélanges, est une opération endothermique réalisée, en général, par chauffage mais aussi par exposition aux rayonnements ou aux micro-ondes.