Polymères : Définition, Types, Propriétés et Applications Essentielles

Les polymères sont omniprésents aujourd'hui, bien qu'il existe une grande variété de types et de classifications différents. Dans un article précédent, nous avons expliqué ces différents types de plastiques comme plastiques de base et types spécialisés. Nous avons également vu les applications et quelques avantages des plastiques. Je vous invite à le consulter !

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Aujourd'hui, nous examinerons de près la définition, l'état physique, les propriétés et les additifs des polymères. Nous distinguerons également entre thermoplastiques et thermodurcissables.

Que sont les polymères ?

Les polymères sont des composés chimiques dont les molécules sont extrêmement grandes, ressemblant à une longue chaîne composée d'une série apparemment sans fin de maillons interconnectés. La taille de ces molécules est décrite comme extraordinaire, variant en milliers et même millions d'unités de masse atomique. La taille de la molécule, l'état physique et la structure sont les propriétés uniques pour lesquelles un plastique est connu, lui donnant la capacité d'être moulé et façonné.

Thermoplastiques et Thermodurcissables

Comme mentionné précédemment, les polymères classés comme plastiques sont divisés en deux catégories principales : thermoplastiques et thermodurcissables.

Les thermoplastiques comme le polyéthylène et le polystyrène sont des plastiques capables d'être moulés et remodelés à répétition. Pour le dire autrement, un gobelet en polystyrène expansé peut être chauffé et reformé en une nouvelle forme – peut-être un plat ou une assiette.

La structure d'un polymère thermoplastique est celle de molécules individuelles séparées les unes des autres et qui s'écoulent les unes par rapport aux autres. Ces molécules peuvent avoir un poids moléculaire extrêmement élevé ou faible. Elles peuvent être ramifiées ou linéaires en structure, mais conservent la caractéristique de séparabilité et de mobilité conséquente. Les polymères de ces types sont connus sous le nom de plastiques de base.

D'autre part, les thermodurcissables sont des polymères qui ne peuvent pas être retraités par réchauffage. C'est parce que, lors du traitement initial, les résines thermodurcissables subissent une réaction chimique qui les rend infusibles et insolubles. Lorsqu'un polymère est produit selon une telle méthode, le retraitement ou le chauffage peut causer la dégradation de l'application.

État physique et morphologies moléculaires des polymères

Le comportement plastique des polymères peut également être influencé par leur morphologie, c'est-à-dire l'arrangement des molécules à grande échelle. Ainsi, les morphologies polymères peuvent être soit amorphes, soit cristallines. Les molécules amorphes sont disposées aléatoirement et sont entrelacées. Alors que les molécules cristallines sont disposées de près et dans un ordre indiscernable.

Les thermodurcissables sont connus pour être amorphes, tandis que les thermoplastiques sont soit amorphes, soit semi-cristallins. Les matériaux semi-cristallins présentent des régions cristallines appelées cristallites, au sein d'une matrice amorphe.

Les matériaux thermoplastiques sont connus pour conserver leurs formes moulées jusqu'à une certaine température. Celle-ci est définie par la température de transition vitreuse ou la température de fusion du polymère particulier. En dessous de la température, on parle de température de transition vitreuse (T_g). Les molécules d'un matériau polymère sont figées, ce qu'on appelle aussi l'état vitreux ; où il y a peu ou pas de mouvement des molécules passant les unes par rapport aux autres. Cela rend le matériau plus rigide et même cassant.

Au-dessus de la température de transition vitreuse T_g, les parties amorphes du polymère entrent dans l'état caoutchouteux. C'est-à-dire que les molécules affichent une mobilité accrue et le matériau devient plastique et même élastique, c'est-à-dire capable d'être étiré.

Dans le cas de polymères non cristallins comme le polystyrène, l'augmentation de la température mènera directement à l'état liquide. D'autre part, pour les polymères partiellement cristallins comme le polyéthylène basse densité ou le polyéthylène téréphtalate, l'état liquide ne sera atteint qu'une fois la température de fusion (T_m) dépassée.

Au-delà de ce point, les régions cristallines ne sont plus stables, et les polymères caoutchouteux ou liquides peuvent être moulés ou extrudés. Comme les thermodurcissables ne fondent pas au préchauffage, ils peuvent être dimensionnellement stables jusqu'à une température à laquelle la dégradation chimique commence.

Propriétés des polymères

L'état physique et la morphologie d'un polymère jouent un rôle parfait dans ses propriétés mécaniques. Les différences dans leur comportement mécanique sont l'allongement qui se produit quand le plastique est chargé (contraint) en traction.

Par exemple, un polymère vitreux comme le polystyrène est assez rigide, montrant un rapport élevé de contrainte initiale à l'allongement initial. Alors que le polyéthylène et le polypropylène, qui sont deux plastiques hautement cristallins, peuvent être utilisés comme films et objets moulés. C'est parce que leurs régions amorphes sont bien au-dessus de leurs températures de transition vitreuse à température ambiante.

La résistance coriace de ces polymères au-dessus de la transition vitreuse T_g résulte des régions cristallines qui existent dans une matrice amorphe, caoutchouteuse. Ces plastiques ont la possibilité de 100 à 1000 pour cent d'allongement.

Parce que la transition vitreuse T_g du PET (un autre plastique semi-cristallin) est au-dessus de la température ambiante, les parties cristallines existent dans une matrice vitreuse. À cause de cela, le matériau reçoit rigidité et haute stabilité dimensionnelle sous contrainte, ce qui est d'un grand avantage pour les bouteilles de boissons et les bandes d'enregistrement.

Presque tous les plastiques sont connus pour présenter un certain allongement sous contrainte qui n'est pas récupéré quand la contrainte est éliminée. Cette condition est connue sous le nom de « fluage », qui peut être très faible pour un plastique bien en dessous de son T_g. Il peut être significatif pour un plastique partiellement cristallin qui est au-dessus de T_g.

Regardez la vidéo sur les propriétés des polymères :

Les propriétés mécaniques les plus couramment spécifiées des polymères incluent la contrainte de rupture, la rigidité, la résistance à la traction, et quantifiées dans le tableau des propriétés et applications comme le module de flexion. La ténacité est une autre propriété importante d'un polymère, qui est l'énergie que le polymère absorbe avant la rupture. Cela est souvent le résultat d'un impact soudain. L'application répétée de contraintes en dessous de la résistance à la traction du plastique peut entraîner une rupture par fatigue.

Presque tous les plastiques sont de mauvais conducteurs de chaleur ; la conductivité peut être encore réduite lorsqu'un gaz (généralement de l'air) est induit dans le matériau. Par exemple, le polystyrène expansé utilisé dans les gobelets pour boissons chaudes a une conductivité thermique d'environ un quart du polymère non expansé. Les plastiques sont aussi des isolants électriques sauf s'ils sont conçus pour la conductivité ; d'ailleurs, la conductivité est importante sur les plastiques comme résistance diélectrique (résistance à la rupture à haute tension). C'est aussi important comme perte diélectrique (mesure de l'énergie dissipée en chaleur quand un courant alternatif est appliqué).

Additifs pour polymères

Un additif peut aussi être connu comme un ingrédient combiné avec un polymère pour arriver à un ensemble de propriétés appropriées au produit. Cependant, dans de nombreux produits plastiques, le polymère n'est qu'un constituant. La combinaison d'autres additifs est mélangée pendant le traitement et la fabrication.

Les additifs suivants sont utilisés dans les polymères pour obtenir un produit approprié :

Plastifiants :

Le plastifiant est utilisé pour modifier la température de transition vitreuse T_g d'un polymère. Par exemple, un chlorure de polyvinyle (PVC) est souvent mélangé avec des liquides non volatils pour modifier la transition vitreuse. Le bardage en vinyle utilisé dans les maisons nécessite un PVC non plastifié, rigide avec un T_g de 85 à 90 °C (185 à 195 °F). Cependant, un tuyau d'arrosage en PVC doit rester flexible même à 0 °C (32 °F).

Il y a beaucoup plus de polymères qui peuvent être plastifiés, mais le PVC est unique en acceptant et retenant des plastifiants de tailles moléculaires et compositions chimiques très variées. Le plastifiant peut également affecter l'inflammabilité du polymère, l'odeur, la biodégradabilité, et même le coût du produit fini.

Colorants :

Puisque l'apparence finale des produits en plastique doit être attrayante, l'inclusion de colorant pendant le traitement et la fabrication est nécessaire. Les pigments populaires pour colorer les plastiques sont le dioxyde de titane et l'oxyde de zinc (blanc), le carbone (noir), et divers autres oxydes inorganiques comme le fer et le chrome. Certains autres composés organiques peuvent être utilisés pour ajouter de la couleur soit comme pigments (insolubles) soit comme colorants (solubles).

Renforts :

Comme leur nom l'indique, les renforts sont utilisés pour améliorer les propriétés mécaniques des plastiques. Une variété de matériaux tels que la silice, le noir de carbone, le talc, le mica, et le carbonate de calcium, ainsi que des fibres courtes, peuvent être incorporés comme charges particulaires. L'utilisation de fibres longues ou même continues comme renforcement, surtout avec les thermodurcissables, peut être décrite ci-dessous dans le renforcement par fibres.

L'introduction de grandes quantités de charges particulaires pendant la fabrication de plastiques comme le polypropylène et le polyéthylène peut augmenter leur rigidité. L'effet peut être moins spectaculaire lorsque la température est en dessous du T_g du polymère.

Stabilisants :

Les stabilisants aident à améliorer la longévité et la durée de vie utile dans toute application. Les propriétés du plastique changent le moins possible avec le temps. Les stabilisants sont ajoutés, généralement en petites quantités, pour contrer les effets du vieillissement. Puisque tous les polymères à base de carbone sont sujets à l'oxydation, les stabilisants courants utilisés sont les antioxydants. Les phénols entravés et les amines tertiaires sont utilisés dans les plastiques à des concentrations aussi faibles que quelques parties par million.

Conclusion

Les polymères sont la forme courante pour décrire les plastiques, ils sont disponibles sous diverses formes et peuvent être traités pour obtenir différentes propriétés. Dans cet article, nous avons vu la définition, les morphologies physiques et moléculaires, et les additifs des polymères. Nous avons également vu la différence entre thermoplastiques et thermodurcissables.

J'espère que vous avez apprécié la lecture. Si c'est le cas, commentez votre section favorite de cet article, et n'oubliez pas de partager avec d'autres étudiants techniques. Merci !