Plastiques à mémoire de forme

Plastiques à mémoire de forme
Par , le (édité le 25/01/2015)

Ce qu'il te faut

  • Un petit pot de crème fraiche en plastique
  • Un grille-pain
  • Une pince

Introduction

Certaines matières plastiques utilisées dans des emballages courants ont une mémoire de forme. En les chauffant légèrement il est possible de les faire revenir à la forme qu'ils avaient initialement.

Pot de crème fraiche ramolli
Pot de crème fraiche ramolli

Expérience

  • Allume le grille-pain (sans rien mettre dedans) et maintiens le pot de crème fraiche au dessus. Attention à ce qu'il ne touche pas l'intérieur du grille-pain!

  • Chauffe uniformément le pot en changeant son orientation de temps en temps. Il faut que le pot se ramollisse mais ne fonde pas.

Le pot doit se déformer. En fonction du plastique et du procédé de fabrication du pot, différents comportements peuvent être observés:

  • Soit le pot ne se recroqueville pas en une forme simple;

  • Soit il change de forme et prend une forme simple, comme dans la figure ci-dessous. C'est alors un matériau à mémoire de forme, qui est revenu à sa forme originale.

Séquence de déformation du pot
Séquence de déformation d'un pot de crème à mémoire de forme. La forme tend vers un disque de plastique.
Disque final
Disque de plastique final
Détail du disque final
En raison de la déformation de la surface sur laquelle ils ont été imprimés, le texte et le code-barres apparaissent contractés et courbés.

Que faire si ça ne marche pas?

L'expérience ne marche qu'avec des emballages qui ont été thermoformés (explications plus bas). En cas de problème, essaie différentes marques et types de pots. Essaie notamment avec des pots de yaourt et des verres jetables en plastique.


Pourquoi le pot prend-il une forme de disque?

Procédé de thermoformage

Les pots de crème fraiche en plastique sont souvent fabriqués par thermoformage. Le thermoformage est une méthode de mise en forme d'un matériau plastique en le ramollissant sans le faire fondre. Le plastique de départ (souvent du polystyrène ou du polyéthylène) se présente alors sous la forme d'une plaque peu épaisse (qui peut être stockée en rouleau). La plaque est ramollie par chauffage puis placée au dessus d'un moule. Le plastique ramolli est alors poussé de manière à épouser la forme des parois du moule, par exemple en faisant le vide d'air dans le moule. En revenant à température ambiante, le plastique redevient solide. Il est alors éjecté du moule et le pot est détaché du reste de la plaque en plastique. Une fois les pots détachés, la plaque trouée de plein de disques peut être recyclée, par exemple en la fondant pour en faire une nouvelle plaque.

Pourquoi utiliser un matériau en plastique pour les emballages? Pour pouvoir être thermoformé, le matériau doit pouvoir être ramolli sans devenir liquide. La plupart des matériaux ne conviennent pas pour le thermoformage car la transition entre l'état solide et liquide est abrupte. Par exemple, un métal à une température très proche de sa température de fusion, mais en dessous, sera solide. En élevant un tout petit peu la température, il deviendra tout à fait liquide. Cette transition de phase est schématisée par le graphe de gauche ci-dessous.

Pour la plupart des matériaux plastiques, la transition entre l'état liquide et l'état solide est mois abrupte: En élevant la température, le matériau va passer par un état mou avant de devenir liquide (courbe de droite ci-dessous). De tels matériaux sont thermoformables. Dans le processus de fabrication de l'emballage, le plastique doit alors être chauffé à une une température telle qu'il atteigne l'état mou (zone bleutée).

Transitions de phase
Transitions de phase pour un matériau usuel (gauche) et pour un plastique thermoformable (droite). Pour les matériaux thermoformables, la transition entre solide et liquide comporte une zone intermédiaire autour de la température de fusion où le matériau est malléable (gamme de températures bleutée sur le graphique).

Comment le plastique mémorise-t-il sa forme originale?

Les plastiques thermoformables sont constitués de longues chaines moléculaires (polymères). Ces chaines sont entrelacées les unes entre les autres comme dans un plat de spaghettis. Lorsque le matériau mis dans l'état mou est étiré, les chaines se déforment et se déplient dans la direction de l'étirement. Si la contrainte d'étirement est relâchée, les chaines vont se replier à nouveau sur elles-mêmes ce qui redonne la forme initiale. Mais si la température est abaissée avant de relâcher la contrainte, le matériau va se figer dans l'état étiré.

Dans un pot de crème fraiche que l'on achète, l'emballage est donc étiré et a envie de revenir à sa forme de disque par élasticité due à l'étirement des chaines de polymère. Ce changement de forme n'est cependant possible qu'à partir d'une certaine température, où le plastique est malléable.