Comment le silicone est-il fabriqué et traité dans les machines de moulage par injection ?

Comment est fabriqué le silicone ? La chimie derrière le matériau

Le silicone est un polymère synthétique dont le squelette est constitué d’une alternance d’atomes de silicium et d’oxygène – une structure connue sous le nom de chaîne siloxane – plutôt que du squelette carbone-carbone trouvé dans les plastiques organiques comme le polyéthylène ou le polypropylène. Cette différence fondamentale dans l’architecture moléculaire confère au silicone son extraordinaire stabilité thermique, son inertie chimique, sa flexibilité sur une large plage de températures et sa résistance à la dégradation par les UV. Comprendre comment le silicone est fabriqué depuis ses origines élémentaires brutes jusqu'à un élastomère fini aide les ingénieurs, les concepteurs de produits et les fabricants à comprendre pourquoi ce matériau se comporte comme il le fait et pourquoi il est traité différemment des résines thermoplastiques conventionnelles.

La production de silicone commence avec le silicium, le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre, que l'on trouve principalement sous forme de dioxyde de silicium (SiO₂), communément appelé quartz ou sable de silice. Fondamentalement, le silicium, l’élément, est chimiquement distinct du silicone, le polymère. Le silicium sous sa forme brute n’est pas naturellement mou, flexible ou chimiquement stable dans diverses conditions ; c'est un métalloïde dur et cassant. Sa transformation en polymère de silicone polyvalent utilisé dans les dispositifs médicaux, les joints automobiles, les biens de consommation et les composants industriels nécessite un processus chimique en plusieurs étapes qui introduit des groupes organiques à base de carbone sur le squelette du silicium, modifiant fondamentalement ses propriétés.

Du quartz au silicium métal : la première étape de production

La première étape dans la fabrication du silicone est la réduction du dioxyde de silicium en silicium métal de qualité métallurgique. Ceci est accompli dans de grands fours à arc électrique où le quartzite (une forme de quartz de haute pureté) est chauffé à des températures supérieures à 1 800 °C en présence d'agents réducteurs riches en carbone tels que le charbon, le coke et les copeaux de bois. Le carbone réagit avec l'oxygène présent dans le dioxyde de silicium, libérant du dioxyde de carbone et laissant derrière lui du silicium métallique liquide d'une pureté d'environ 98 à 99 %. Ce matériau est connu sous le nom de silicium de qualité métallurgique (MG-Si) et sert de matière première essentielle pour la production de polymères de silicone.

Le silicium fondu est coulé en lingots, laissé refroidir, puis broyé en poudre ou en granulés pour un traitement chimique ultérieur. À ce stade, le silicium est encore loin d’être un polymère : il doit subir une séquence de réactions chimiques qui attachent des groupes méthyle organiques aux atomes de silicium, créant ainsi les intermédiaires organochlorosilanes qui servent de base à tous les produits à base de silicone commerciaux.

Le procédé Müller-Rochow : construction du monomère de silicone

La production industrielle de monomères de silicone est dominée par le procédé direct Müller-Rochow, développé indépendamment dans les années 1940. Dans ce processus, du silicium métallique en poudre réagit avec du chlorure de méthyle (CH₃Cl) gazeux en présence d'un catalyseur au cuivre à des températures comprises entre 250 °C et 350 °C. Cette réaction produit un mélange de composés chlorosilanes, dont le plus important commercialement est le diméthyldichlorosilane - (CH₃)₂SiCl₂. Cette molécule est le monomère principal dont sont finalement dérivées la grande majorité des silicones commerciales.

Le mélange de chlorosilane produit par le procédé direct est séparé par distillation fractionnée en ses composants individuels, chacun ayant une réactivité distincte et produisant différentes structures de polymère de silicone lorsqu'il est hydrolysé. Le diméthyldichlorosilane, lorsqu’il est exposé à l’eau, subit une hydrolyse rapide – les atomes de chlore sont remplacés par des groupes hydroxyle – et les intermédiaires silanols résultants se condensent spontanément les uns avec les autres pour former des chaînes polydiméthylsiloxane (PDMS). En fonction des conditions de réaction, de la longueur de la chaîne et du mélange spécifique de monomères chlorosilane utilisé, le polymère résultant peut être un fluide à faible viscosité, une gomme visqueuse ou un polymère de base de poids moléculaire élevé adapté à la composition en caoutchouc de silicone.

Composition du caoutchouc de silicone : du polymère de base au matériau moulable

Le polymère brut de polydiméthylsiloxane seul ne convient pas au moulage par injection. Il doit être composé d'une gamme d'additifs qui ajustent ses caractéristiques de dureté, de résistance à la traction, d'allongement, de résistance thermique, de couleur et de durcissement pour répondre aux exigences spécifiques de l'application. Cette étape de composition est celle où le matériau fonctionnel en caoutchouc de silicone utilisé dans les machines de moulage par injection est réellement créé, et elle implique une formulation minutieuse par des chimistes des matériaux qui équilibrent les exigences de propriétés concurrentes et les contraintes de traitement.

• Charges de renforcement : La silice fumée est la charge renforçante la plus largement utilisée dans les composés de caoutchouc de silicone. Ajoutée à des charges de 20 à 50 % en poids, la silice fumée augmente considérablement la résistance à la traction et à la déchirure en interagissant avec les chaînes polymères à l'échelle moléculaire. Sans renfort, le polymère silicone pur présente une très faible résistance mécanique.
• Agents de réticulation : Pour transformer le polymère silicone linéaire ou peu ramifié en un réseau élastomère tridimensionnel, des agents réticulants doivent être incorporés. Pour le caoutchouc à haute consistance (HCR) utilisé dans le moulage par injection conventionnel, les peroxydes organiques sont l'agent de réticulation traditionnel. Pour le caoutchouc de silicone liquide (LSR), un système de durcissement par addition catalysée au platine est standard, offrant des cycles de durcissement plus rapides et une excellente cohérence des propriétés.
• Pigments et colorants : Le silicone est naturellement translucide et accepte facilement la pigmentation. L'oxyde de fer, le dioxyde de titane et les pigments organiques sont incorporés lors de la préparation pour produire la gamme complète de couleurs requise par les fabricants de produits de consommation et de dispositifs médicaux.
• Auxiliaires technologiques : De petits ajouts d'adjuvants de traitement tels que des huiles ou des cires de silicone améliorent le comportement d'écoulement du composé pendant le moulage par injection, réduisant ainsi les exigences de pression d'injection et améliorant le remplissage du moule dans des géométries de cavités complexes.
• Additifs fonctionnels : En fonction de l'application finale, des agents supplémentaires peuvent être incorporés : des retardateurs de flamme pour les composants d'isolation électrique, des agents antimicrobiens pour les produits médicaux et alimentaires, ou des stabilisants thermiques pour les applications de service à haute température.

Types de silicone utilisés dans le moulage par injection : HCR vs LSR

Deux formes distinctes de caoutchouc de silicone sont traitées dans les machines de moulage par injection et diffèrent considérablement par leur état physique, leur comportement de traitement et le type de machine requis pour les manipuler. Le choix entre le caoutchouc à haute consistance (HCR) et le caoutchouc de silicone liquide (LSR) est l'une des décisions matérielles les plus importantes dans le développement de produits en silicone, affectant directement la qualité des pièces, le temps de cycle, la conception des outils et l'économie de la production.

Caoutchouc à haute consistance (HCR)

Le HCR est un matériau solide ressemblant à du mastic à température ambiante avec une consistance similaire à celle d'une pâte à pain rigide. Il a un poids moléculaire élevé – dépassant généralement un million de g/mol – et doit être préchauffé et travaillé avant de s’écouler suffisamment pour être injecté dans une cavité de moule. Les composés HCR sont généralement durcis à l'aide de peroxydes organiques à des températures de 150 à 200 °C, et une post-durcissement à des températures élevées est souvent nécessaire pour développer pleinement les propriétés mécaniques et éliminer les sous-produits résiduels de décomposition du peroxyde. Le HCR est bien établi pour la production de joints, de joints, de tubes et d'accessoires pour câbles, et il peut être traité sur des machines de moulage par injection de caoutchouc modifié ou des presses de moulage par compression.

Caoutchouc de silicone liquide (LSR)

Le LSR est un système liquide pompable à deux composants fourni dans des fûts séparés : le composant A contient le polymère de base et le catalyseur au platine, tandis que le composant B contient le polymère de base et l'agent de réticulation (généralement un composé d'hydrure de silicone). Les deux composants sont dosés dans un rapport précis de 1:1, mélangés dans un mélangeur statique ou dynamique et injectés dans un moule chauffé où la réaction de durcissement par addition catalysée par le platine se produit rapidement, généralement en 10 à 60 secondes à des températures de moule de 150 à 220°C. Le LSR ne produit aucun sous-produit de durcissement, ne nécessite aucun post-durcissement et offre une cohérence exceptionnelle des pièces avec une précision dimensionnelle difficile à obtenir avec le HCR. Il s’agit du matériau privilégié pour la production en grande série de dispositifs médicaux, de produits de puériculture, de composants technologiques portables et de joints industriels de précision.

Comment fonctionne une machine de moulage par injection de silicone/caoutchouc

Un silicone ou machine de moulage par injection de caoutchouc diffère fondamentalement d'une machine de moulage par injection thermoplastique standard sur plusieurs points critiques, dus à la nature thermodurcissable du silicone et du caoutchouc, des matériaux qui durcissent de manière irréversible lors du chauffage plutôt que de se ramollir lorsqu'ils sont chauffés comme le font les thermoplastiques. Dans une machine thermoplastique, le cylindre et la vis sont chauffés pour faire fondre le matériau, et le moule est refroidi pour solidifier la pièce. Dans une machine de moulage par injection de silicone/caoutchouc, le matériau doit être maintenu froid tout au long du système d'injection pour éviter un durcissement prématuré, tandis que le moule est chauffé pour déclencher et terminer la vulcanisation.

Pour le traitement du LSR, l'unité d'injection est équipée d'un système de dosage et de mélange à deux composants qui aspire les deux fûts de matériau à l'aide de pompes à engrenages de précision, les mélange dans le rapport correct via un mélangeur statique et délivre le matériau mélangé à un baril d'injection froid. L'ensemble canon et vis est refroidi — généralement avec de l'eau glacée entre 5 et 15 °C — pour maintenir le LSR en dessous de sa température d'activation pendant le cycle d'injection. Lorsque le matériau est injecté dans le moule chauffé (150 à 220 °C), l'augmentation spectaculaire de la température active le catalyseur au platine et la réaction de durcissement se termine en quelques secondes.

Composants clés d'une machine de moulage par injection de silicone/caoutchouc

Considérations de conception de moules spécifiques au moulage par injection de silicone

La conception de moules pour le moulage par injection de silicone nécessite une attention particulière aux facteurs qui diffèrent considérablement de l'outillage thermoplastique. La faible viscosité du silicone sous forme LSR – souvent comparé à la crème épaisse ou à la pâte à crêpes – signifie qu'il s'écoulera facilement dans le plus petit espace entre les surfaces de séparation du moule, produisant des bavures qui doivent être éliminées lors du post-traitement. Le moulage de silicone sans ou presque sans bavure nécessite des tolérances de planéité de surface de joint extrêmement serrées, généralement comprises entre 2 et 5 microns, et un acier à outils rectifié avec précision avec une dureté supérieure à 48 HRC pour maintenir ces tolérances sur des millions de cycles.

La ventilation est essentielle dans la conception de moules en silicone, car l'air emprisonné dans les poches de la cavité ne peut pas s'échapper à travers le matériau comme c'est le cas dans certains processus poreux : l'air emprisonné produit des vides, des projections courtes ou des défauts de surface. Des canaux de ventilation aussi peu profonds que 3 à 8 microns sont incorporés au niveau de la ligne de joint et aux derniers points de remplissage de chaque cavité. La conception du système d'éjection doit également tenir compte de la grande flexibilité et de l'adhésivité de la surface des pièces en silicone durcies : le démoulage sans déchirer ou déformer les éléments à paroi mince nécessite généralement une conception minutieuse de l'angle de dépouille, une texturation de la surface ou l'utilisation de revêtements anti-adhérents tels que le PTFE ou des traitements de surface au plasma sur les surfaces des cavités.

Industries et applications desservies par le moulage par injection de silicone

La combinaison des propriétés exceptionnelles du silicone et de la précision obtenue grâce au moulage par injection place les machines de moulage par injection de silicone/caoutchouc au cœur de la production dans une gamme remarquablement diversifiée d'industries. Chaque secteur exploite un sous-ensemble distinct des caractéristiques de performance du silicone, et la capacité à produire des géométries complexes avec des tolérances serrées à des volumes élevés fait du moulage par injection la méthode de production préférée dans chacun d'entre eux.

• Médical et pharmaceutique : La biocompatibilité, la stérilisabilité et l'inertie chimique du silicone en font le matériau de choix pour les composants de cathéters, les joints de dispositifs implantables, les poignées d'instruments chirurgicaux, les masques respiratoires et les membranes de valves d'administration de médicaments. Le moulage par injection LSR permet de produire ces pièces selon les normes des dispositifs médicaux de classe III avec une validation et une traçabilité complètes du processus.
• Automobile : Les joints de connecteur, les passe-fils, les soufflets de bougie d'allumage, les durites de turbocompresseur et les joints pour les applications sous le capot reposent sur la capacité du silicone à maintenir les performances d'étanchéité à des températures allant de -60°C à plus de 200°C tout au long de la durée de vie du véhicule.
• Electronique grand public : Les coques de protection, les membranes des boutons, les joints d'étanchéité pour les appareils portables et les embouts des écouteurs sont moulés par injection à partir de LSR dans des outils à forte cavitation qui produisent des millions de pièces par an avec une précision dimensionnelle constante.
• Produits pour nourrissons et adolescents : Les tétines de biberon, les sucettes, les anneaux de dentition et les embouts de cuillères d'alimentation fabriqués à partir de composés LSR de qualité alimentaire et conformes à la FDA sont produits dans des moules multi-empreintes avec des protocoles de fabrication hygiéniques stricts.
• Industriel et énergétique : Les hangars d'isolation électrique pour équipements de transmission haute tension, diaphragmes de pompe, clapets anti-retour et joints de traitement chimique exploitent la combinaison de résistivité électrique, de stabilité aux UV et de résistance chimique du silicone dans des environnements extérieurs et de processus exigeants.

Du minerai de quartzite introduit dans les fours à arc au joint en silicone moulé avec précision sur un implant médical, le parcours du silicone, de la matière première au produit fini, est celui d'une chimie industrielle et d'une ingénierie de précision travaillant en étroite coordination. La machine de moulage par injection de silicone/caoutchouc se situe au centre de cette chaîne de valeur — transformant un polymère thermodurci soigneusement formulé en composants hautes performances aux dimensions précises qui sont intégrés de manière invisible mais indispensable dans les produits qui définissent la vie moderne.