Tribologie des polymères : frottement et usure des plastiques courants

Les polymères sont très largement utilisés dans de nombreuses applications et sont devenus indispensables à la vie quotidienne. Des polymères naturels comme l'ambre, la soie et le caoutchouc naturel ont joué un rôle essentiel dans l'histoire humaine. Le procédé de fabrication des polymères synthétiques peut être optimisé pour obtenir des propriétés physiques particulières, comme la ténacité, la viscoélasticité, l'autolubrification et bien d'autres.

Les polymères sont couramment utilisés dans des applications tribologiques comme les pneus, les paliers et les bandes transporteuses. Différents mécanismes d'usure apparaissent selon les propriétés mécaniques du polymère, les conditions de contact et les propriétés des débris ou du film de transfert formés pendant l'usure. Pour s'assurer que les polymères ont une résistance à l'usure suffisante dans les conditions de service, une évaluation tribologique fiable et quantifiable est nécessaire. Elle permet de comparer quantitativement le comportement en usure de différents polymères de façon contrôlée et suivie, afin de choisir le matériau candidat pour l'application visée.

Le tribomètre NANOVEA offre des essais d'usure et de frottement répétables en modes rotatif et linéaire conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure à haute température et de lubrification dans un seul système pré-intégré. Cette gamme inégalée permet de simuler les différents environnements de travail des polymères, dont les contraintes concentrées, l'usure et les hautes températures.

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Le coefficient de frottement (COF) et la résistance à l'usure de différents polymères courants ont été évalués avec le tribomètre NANOVEA. Une bille Al₂O₃ a servi d'antagoniste (pion, échantillon statique). Les traces d'usure sur les polymères (échantillons dynamiques en rotation) ont été mesurées avec un profilomètre 3D sans contact et un microscope optique à la fin des essais. En option, un capteur endoscopique sans contact peut mesurer la profondeur de pénétration du pion dans l'échantillon dynamique pendant l'essai d'usure. Les paramètres d'essai sont résumés dans le Tableau 1. Le taux d'usure, K, a été calculé avec la formule K = V/(F × s), où V est le volume usé, F la charge normale et s la distance de glissement.

Notez que des billes Al₂O₃ ont servi d'antagoniste dans cette étude. Tout autre matériau solide peut leur être substitué pour simuler au plus près le comportement de deux échantillons dans les conditions réelles d'application.

Le taux d'usure est un facteur clé de la durée de vie des matériaux, et le frottement joue un rôle essentiel dans les applications tribologiques. La Fig. 2 compare l'évolution du COF des différents polymères contre la bille Al₂O₃ pendant les essais d'usure. Le COF indique le moment où surviennent les défaillances et où l'usure entre dans une nouvelle phase. Parmi les polymères testés, le PEHD (HDPE) garde le COF le plus faible et constant, d'environ 0,15, pendant tout l'essai. Ce COF régulier traduit la formation d'un tribo-contact stable.

Les Fig. 3 et Fig. 4 comparent les traces d'usure des échantillons de polymère mesurées au microscope optique après l'essai. Le profilomètre 3D sans contact in situ détermine précisément le volume d'usure des échantillons, ce qui permet de calculer avec exactitude des taux d'usure de 0,0029, 0,0020 et 0,0032 mm³/N·m pour le PEHD, le nylon 66 et le polypropylène respectivement. En comparaison, l'échantillon de PVC-C (CPVC) présente le taux d'usure le plus élevé, 0,1121 mm³/N·m. De profondes rayures d'usure parallèles sont visibles dans la trace du PVC-C.

La résistance à l'usure des polymères joue un rôle essentiel dans leurs performances en service. Dans cette étude, nous avons montré que le tribomètre NANOVEA évalue le coefficient de frottement et le taux d'usure de différents polymères de façon bien contrôlée et quantitative. Le PEHD (HDPE) présente le COF le plus faible des polymères testés, d'environ 0,15. Le PEHD, le nylon 66 et le polypropylène ont de faibles taux d'usure, de 0,0029, 0,0020 et 0,0032 mm³/N·m respectivement. L'association d'un faible frottement et d'une excellente résistance à l'usure fait du PEHD un bon candidat pour les applications tribologiques des polymères.

Le profilomètre 3D sans contact in situ permet une mesure précise du volume d'usure et offre un outil d'analyse détaillée de la morphologie des traces d'usure, qui éclaire la compréhension fondamentale des mécanismes d'usure.