Chimie des polymères
Caoutchouc, plastiques, fibres
Relier la structure des chaînes polymères et leurs interactions aux comportements distincts des caoutchoucs, plastiques et fibres, avec des exemples de synthèse, de mise en forme et d’usage.
IntuitionUne famille de longues molécules, des matériaux variés
Un matériau polymère est un ensemble de longues molécules, non un objet rigide unique. Des chaînes qui glissent donnent un plastique souple ; quelques liaisons entre chaînes favorisent le rappel élastique du caoutchouc ; des chaînes orientées et fortement attirées peuvent former des fibres résistantes.
ScolaireStructure, propriétés et familles de matériaux
Définition: Élastomère
Polymère capable d’une grande déformation principalement réversible. Les chaînes flexibles se déploient sous charge puis se rétractent à son retrait ; un réseau clairsemé de réticulations empêche l’écoulement permanent.
Définition: Thermoplastique et thermodurcissable
Les thermoplastiques ramollissent à chaud et sont souvent remoulables, leurs chaînes ne formant pas de réseau covalent permanent. Les thermodurcissables réticulent lors du durcissement et ne fondent pas au réchauffage ; une chaleur excessive finit par les dégrader chimiquement.
| Famille | Structure des chaînes et comportement typique |
|---|---|
| Élastomère | Chaînes souples, réticulations rares ; grand étirement réversible |
| Thermoplastique | Chaînes linéaires ou ramifiées ; ramollit et s’écoule à chaud |
| Thermodurcissable | Réseau covalent ; rigide, ne fond pas au réchauffage |
| Fibre | Longues chaînes orientées selon l’axe ; forte résistance en traction |
Ces termes décrivent des aspects différents : thermoplastique/thermodurcissable concerne la réponse thermique et le réseau, élastomère la réponse mécanique, fibre la forme et l’orientation. Un matériau peut relever de plusieurs descriptions.
Lors d’une polymérisation par addition, la liaison C=C s’ouvre et les unités monomères s’assemblent sans élimination d’une petite molécule. Le polyéthylène a pour motif –CH₂–CH₂– ; longueur, ramifications et cristallinité influencent fortement ses propriétés.
Exemple: Estimation simple du degré de polymérisation
Une chaîne idéale de polyéthylène a une masse molaire de 28 000 g mol⁻¹. En prenant 28,0 g mol⁻¹ par motif –CH₂–CH₂– et en négligeant les extrémités, estimer le nombre de motifs.
Solution
Le nombre de motifs vaut environ 28 000 ÷ 28,0 = 1 000. Le degré de polymérisation est donc de l’ordre de 10³ ; un échantillon réel présente une distribution de longueurs de chaîne.
Définition: Caoutchouc naturel et vulcanisation
Le caoutchouc naturel est principalement du cis-1,4-polyisoprène. La vulcanisation au soufre crée des ponts entre chaînes. Trop peu de ponts favorise fluage et collant ; trop de ponts limite les mouvements, durcit le caoutchouc et réduit son extensibilité.
La résistance d’une fibre ne dépend pas seulement de l’identité du polymère : l’étirage oriente les chaînes, tandis que les interactions intermoléculaires et la cristallinité transmettent la charge. Nylon et polyester sont synthétiques ; la cellulose régénérée provient du traitement de cellulose, non de la polymérisation d’un nouveau monomère.
Références
- Textbook of Polymer Science, 3rd Edition · Fred W. Billmeyer, Jr., 1984