1. Principes et portée de la norme
L’ASTM D3420 est une méthode d’essai conçue pour déterminer la résistance à l’impact-perforation des films plastiques au moyen d’un pendule. Le principe repose sur la mesure de l’énergie absorbée par un échantillon de film lorsqu’il est perforé par une tête hémisphérique montée sur un pendule en chute libre. L’énergie cinétique perdue par le pendule lors de la perforation correspond directement à la résistance à l’impact du film.
Cette méthode présente un avantage fondamental par rapport aux essais de traction uniaxiale classiques : elle sollicite le film à des vitesses de déformation proches de celles rencontrées en conditions réelles (chutes, chocs pendant le transport, manutention). Les résultats reflètent donc le comportement dynamique en traction biaxiale du matériau, fournissant une évaluation plus réaliste de sa ténacité que les essais statiques.
La norme s’applique à l’ensemble des films plastiques utilisés dans l’emballage : polyéthylène (PE-LD, PE-LLD, PE-HD), polypropylène (PP, OPP, BOPP), polyester (PET), polyamide (PA) et films multicouches (coextrusion, complexes).
1.1 Les deux procédures d’essai
La norme définit deux procédures identiques dans leur principe mais différentes par la géométrie de l’échantillon et de la tête d’impact :
| Paramètre | Procédure A | Procédure B (Spencer) |
|---|---|---|
| Ouverture du porte-échantillon | 60 mm de diamètre | 89 mm de diamètre |
| Diamètre de la tête d’impact | 25,4 mm (1 in.) | 19 mm (0,75 in.) |
| Application typique | Films minces (< 50 µm) | Films épais ou robustes (> 50 µm) |
| Plage d’énergie | Plus basse (films fragiles ou très minces) | Plus élevée (films résistants) |
La procédure B, dite « Spencer », est historiquement la plus répandue dans l’industrie de l’emballage et constitue la référence par défaut lorsqu’un cahier des charges mentionne simplement « essai d’impact pendulaire ASTM D3420 ».
1.2 Distinction avec les méthodes d’essai connexes
Plusieurs normes caractérisent la résistance à l’impact des films plastiques. La différence porte sur le mécanisme de sollicitation, la vitesse d’impact et le type de résultat :
| Norme | Méthode | Cas d’usage |
|---|---|---|
| ASTM D3420 | Impact pendulaire : énergie de perforation à vitesse intermédiaire | Films d’emballage, contrôle qualité en production |
| ASTM D1709 | Impact par fléchette en chute libre (dart drop) : masse de rupture | Films soufflés, qualification de grade PE |
| ASTM D4272 | Impact par chute de masse sur échantillon fixé (falling weight impact) | Films rigides, feuilles épaisses |
| ISO 7765-1 | Impact par fléchette en chute libre (méthode staircase ou énergie fixe) | Équivalent ISO de la D1709, marchés européens |
Les résultats entre ces normes ne sont pas directement comparables : la D3420 fournit une énergie de perforation (en joules), la D1709 une masse de rupture (en grammes), et la D4272 une énergie d’impact (en joules) mais avec une géométrie différente. Le choix de la méthode dépend du type de film, de son épaisseur et des exigences du cahier des charges.
2. Rôle dans l’évaluation des films d’emballage
2.1 Caractérisation de la ténacité dynamique
L’objectif principal de l’ASTM D3420 est de quantifier la capacité d’un film à résister à une perforation sous impact rapide. Cette propriété est critique pour les applications où le film est soumis à des contraintes mécaniques soudaines : chutes de colis, contact avec des arêtes vives, vibrations de transport.
La sollicitation biaxiale exercée par la tête hémisphérique reproduit un mode de rupture réaliste. Contrairement à l’essai de traction uniaxiale, qui mesure la résistance dans une seule direction, l’impact pendulaire sollicite le film dans toutes les directions autour du point de contact, révélant les faiblesses liées à l’orientation moléculaire, aux hétérogénéités d’épaisseur ou aux défauts de structure.
2.2 Contrôle qualité en production
L’ASTM D3420 est largement utilisée comme essai de réception et de suivi en production. Les fabricants de films spécifient des seuils minimaux d’énergie d’impact en fonction de l’application visée. Un film étirable pour palettisation exige typiquement une énergie d’impact plus élevée qu’un film rétractable de regroupement.
Le suivi statistique des résultats d’impact pendulaire au fil des lots de production permet de détecter des dérives de procédé (variation de température d’extrusion, changement de lot de résine, dérèglement du taux de gonflage).
2.3 Limites d’interprétation
L’essai d’impact pendulaire présente des limites dont il faut tenir compte :
- L’énergie mesurée dépend de l’épaisseur du film. Pour comparer des matériaux différents, il est nécessaire de normaliser les résultats par l’épaisseur (en J/µm ou mJ/µm).
- Le résultat est sensible à l’orientation du film (sens machine vs. sens travers) : les films étirés présentent souvent une anisotropie marquée.
- La température d’essai influence significativement la résistance à l’impact, en particulier pour les polymères proches de leur transition vitreuse.
- L’essai ne reproduit pas les conditions de perforation lente (par exemple, un film posé sur une arête pendant le stockage).
Important : L’énergie d’impact pendulaire dépend de l’épaisseur, de l’orientation et de la température. Toute comparaison entre matériaux différents doit préciser ces trois paramètres. Un résultat isolé sans contexte n’a pas de valeur technique.
3. Procédure d’essai
3.1 Préparation des échantillons
Les échantillons sont conditionnés pendant au moins 40 heures à 23 ± 2 °C et 50 ± 10 % HR (ou selon la norme ASTM D618). Les éprouvettes sont découpées en carrés de dimensions suffisantes pour être serrées dans le porte-échantillon (typiquement 100 mm × 100 mm pour la Procédure A et 125 mm × 125 mm pour la Procédure B).
Un minimum de 10 éprouvettes par direction (sens machine et sens travers) est recommandé pour obtenir des résultats statistiquement représentatifs.
3.2 Déroulement de l’essai
La procédure se déroule en quatre étapes :
- L’éprouvette est serrée entre les deux plaques du porte-échantillon, centrée sur l’ouverture circulaire (60 mm ou 89 mm selon la procédure).
- Le pendule est libéré depuis sa position de départ (angle défini). Sa tête hémisphérique traverse le film en le perforant.
- L’appareil enregistre l’angle de remontée du pendule après perforation. La différence d’énergie cinétique entre le départ et l’arrivée correspond à l’énergie absorbée par le film.
- L’énergie d’impact est calculée et rapportée en joules (ou millijoules pour les films très minces).
L’appareil doit être calibré conformément aux exigences de la norme. La vérification de l’énergie de frottement à vide (essai sans échantillon) est obligatoire avant chaque série de mesures pour corriger les pertes mécaniques.
3.3 Collecte et analyse des données
Les paramètres clés rapportés dans le rapport d’essai sont :
| Paramètre | Description |
|---|---|
| Énergie d’impact | Énergie absorbée lors de la perforation (en J ou mJ) |
| Énergie normalisée | Énergie rapportée à l’épaisseur du film (J/µm ou mJ/µm) |
| Procédure utilisée | A (60 mm) ou B (89 mm, Spencer) |
| Direction | Sens machine (MD) et/ou sens travers (TD) |
| Épaisseur | Épaisseur moyenne du film au point d’impact (µm) |
| Écart-type | Mesure de la dispersion des résultats, indicateur de reproductibilité |
L’énergie de frottement à vide doit être systématiquement soustraite des mesures brutes. Les résultats en sens machine (MD) et sens travers (TD) doivent être rapportés séparément, car l’anisotropie est une information essentielle pour la formulation et le réglage des lignes d’extrusion.
4. Cadre réglementaire et applications industrielles
4.1 Références normatives
La norme ASTM D3420 s’inscrit dans un écosystème normatif plus large. Les principales références croisées :
- ASTM D1709 : essai de résistance à l’impact par fléchette en chute libre (dart drop), la méthode la plus courante pour les films soufflés.
- ASTM D4272 : essai d’impact par chute de masse pour les feuilles et films rigides.
- ISO 7765-1 : méthode ISO d’impact par fléchette, équivalent international de la D1709.
- ASTM D618 : conditionnement des éprouvettes en plastique avant essai.
- ASTM D882 : propriétés de traction des films plastiques minces, complémentaire pour la caractérisation mécanique.
La version en vigueur est la D3420-21, développée par le sous-comité D20.19 de l’ASTM International.
4.2 Applications sectorielles
Emballage alimentaire
Les films d’emballage alimentaire (sachets, flowpack, operculage, film étirable) doivent résister aux chocs et perforations tout au long de la chaîne logistique, du conditionnement au point de vente. L’ASTM D3420 vérifie que le film conserve son intégrité mécanique face aux contraintes de transport et de manutention.
Films industriels et logistiques
Les films étirables de palettisation, les films rétractables et les housses de protection exigent une résistance à l’impact élevée pour maintenir les charges unitarisées et protéger les produits pendant le transport. Le suivi de l’énergie d’impact pendulaire garantit la constance des propriétés mécaniques d’un lot à l’autre.
Films techniques et multicouches
Les films barrière multicouches (PE/PA, PE/EVOH/PE) utilisés en emballage sous atmosphère modifiée (MAP) combinent propriétés barrière et résistance mécanique. L’ASTM D3420 valide la contribution de chaque couche à la résistance globale du complexe et détecte les problèmes de délaminage sous impact.
Agriculture et géomembranes
Les films agricoles (paillage, serres, ensilage) et les géomembranes d’étanchéité sont soumis à des perforations par pierres, racines ou outils. La D3420 qualifie leur résistance aux dommages mécaniques dans des conditions proches de l’utilisation réelle.
5. Bonnes pratiques pour des essais fiables
5.1 Choix du laboratoire
La fiabilité des résultats dépend directement de la compétence du laboratoire. Les critères de sélection :
- Accréditation ISO/IEC 17025, garantissant la compétence technique et la traçabilité métrologique.
- Équipement calibré : pendule d’impact avec têtes interchangeables (Procédure A et B), système de mesure d’angle ou capteur d’énergie numérique, micromètre pour la mesure d’épaisseur.
- Vérification systématique de l’énergie à vide : la correction des pertes par frottement est indispensable pour la précision des résultats.
- Conditionnement rigoureux : le respect des 40 heures de conditionnement et des tolérances de température/humidité est essentiel pour la reproductibilité.
5.2 Recommandations pratiques
Pour maximiser la valeur des essais D3420 :
- Spécifier systématiquement la procédure utilisée (A ou B), la direction (MD/TD) et l’épaisseur dans tout rapport d’essai.
- Tester au minimum 10 éprouvettes par direction pour une représentativité statistique suffisante.
- Normaliser les résultats par l’épaisseur lorsque l’on compare des films de grades ou de fournisseurs différents.
- Compléter l’essai pendulaire par un essai d’impact par fléchette (ASTM D1709) et un essai de traction (ASTM D882) pour une caractérisation mécanique complète du film.
- Pour les films multicouches, vérifier l’absence de délaminage au point d’impact, signe d’une adhésion inter-couches insuffisante.
L’emballage alimentaire, la logistique, les films techniques multicouches et l’agriculture sont les principaux secteurs utilisateurs. Tout secteur où les films plastiques jouent un rôle de protection mécanique bénéficie de cette norme pour la sélection des matériaux, le contrôle de production et la qualification fournisseur.