Recherchez sur tout Techno-Science.net
       
Techno-Science.net : Suivez l'actualité des sciences et des technologies, découvrez, commentez
Posté par Publication le 20/02/2005 à 00:02
Les microstructures des polymères seuls (homopolymères)

Les polymères amorphes

Polymères thermoplastiques

Beaucoup de polymères thermoplastiques ont une structure amorphe: polyéthylène basse densité (PEBD), polystyrène (PS), polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Les macromolécules linéaires y sont entremêlées en pelote comme des nouilles (cuites!) dans un plat. On dit qu'elles sont en désordre, mais c'est là un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) qui dépend de la définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) de l'ordre. On prendra comme définition générale de l'ordre, le fait de pouvoir attribuer une règle d'arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les dénombrements en analyse combinatoire.), ou une organisation (Une organisation est). Dans la structure amorphe, les macromolécules sont flexibles et disposées sans aucune règle, de façon aléatoire. Mais cela donne quelque chose d'assez homogène. En général, les polymères amorphes employés sans adjonction d'autres substances sont transparents. C'est le cas, par exemple des films de polyéthylène basse densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...), des boîtiers en polyméthacrylate de méthyle, des bouteilles (Sur les anciens navires à voiles, on appelait les bouteilles deux petits compartiments, un de chaque côté du tableau arrière servant de toilettes aux officiers du bord.) d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) en polytéréphtalate d'éthylène (PET). Mais le caractère de transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la lumière. Cette notion dépend de la longueur d'onde de la lumière : ainsi, le verre est transparent...) n'est pas systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour objet de dénombrer et de classer les taxons dans un certain ordre, basé...), et inversement, il n'est pas systématiquement relié au caractère amorphe dans la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...). Il suffit de citer l'exemple d'un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la...) de quartz.

Polymères thermodurcissables

Les thermodurcissables sont généralement amorphes, par exemple les résines polyépoxydes. En effet, les réticulations et pontages ont lieu dans toutes les directions empêchant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) ordre d'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la...), provoquant l'isotropie (L'isotropie caractérise l’invariance des propriétés physiques d’un milieu en fonction de la direction. Le contraire de l’isotropie est l’anisotropie.) du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...). Cela ressemble à un enchevêtrement de lianes s'accrochant les unes aux autres par des tentacules en de multiples points.

Elastomères

Une autre catégorie d'amorphes est constituée par les élastomères. Ce sont des caoutchoucs tels que le polyisoprène (caoutchouc naturel et synthétique) et le polybutadiène. Leur température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et...) de transition vitreuse est en-dessous de la température ambiante. Les macromolécules sont emmêlées en pelote, et de plus elles sont reliées de façon assez lâche par des noeuds dont la nature varie selon les types d'élastomères. Lorsqu'on tire sur un élastomère, les molécules se déplient et s'allongent. Le rôle des noeuds est de les empêcher de glisser et de les ramener dans leur position initiale lorsqu'on relâche la tension (La tension est une force d'extension.).

Les polymères semi-cristallins

La structure cristalline n'est pas réservée au monde (Le mot monde peut désigner :) minéral. Elle est largement présente dans les polymères thermoplastiques, mais elle se révèle sous des aspects spécifiques aux polymères à cause de leurs longues molécules: les cristallites et les sphérolites. Le polyéthylène en est un bon exemple. Dans une cristallite de polyéthylène, les chaînes macromoléculaires linéaires non ramifiées sont repliées en accordéon. Les parties rectilignes des repliements s'ajustent les unes contres les autres en empilements réguliers (figure 3). C'est la définition même d'un cristal. Sa particularité est qu'une direction d'empilement (ici celle qui est représentée verticalement) est concrétisée par la chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) elle-même.


Figure 3: Cristallisation du polyéthylène

Cependant, ces cristaux ne sont pas parfaits. Cela ne veut pas dire qu'ils sont mauvais, mais qu'au regard de notre définition de l'ordre, ils souffrent de défauts aux règles. Par exemple, les chaînes ne sont pas parfaitement alignées et parallèles, ou bien pas vraiment calées les unes contre les autres. Il s'ensuit que les cristaux ne se développent qu'à des tailles très limitées, inférieures au micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.). C'est ce qu'on nomme cristallites. Les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) en polyéthylène et autres thermoplastiques sont constitués de cristallites enrobés de matière amorphe (figure 4). Ils sont dits semi-cristallins.


Figure 4: Cristallites dans du polyéther-éther-cétone
(microscopie électronique, cliché A. Boudet)

Les sphérolites

Dans certaines conditions favorables de cristallisation, les cristaux ont la liberté de se développer à des tailles beaucoup plus grandes, plusieurs micromètres, et sont visibles au microscope optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) (figure 5). On découvre que leur croissance s'est effectuée de façon radiale. Pour cette raison, on les nomme des sphérolites. La structure en sphérolites est particulièrement belle. Cependant, dans les matériaux industriels, il est préférable que les sphérolites restent petits, sinon le matériau est fragile.


Figure 5: Sphérolites dans du polysulfure de phénylène
(microscopie optique, cliché A. Boudet)


Les conditions de la cristallisation

Le polyéthylène cristallin dont il a été question ci-dessus est un polyéthylène haute densité (PEHD) dont les molécules sont parfaitement linéaires. Si par contre les chaînes sont ramifiées, elle ne s'empilent pas en cristallites. On a affaire à un polyéthylène basse densité (PEBD) amorphe.

Certains matériaux comme le polytéréphtalate d'éthylène (PET) sont amorphes ou partiellement cristallins selon le mode de fabrication. Même s'il a une bonne tendance à cristalliser lorsqu'on le refroidit à partir de son état fondu, il a besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les...) de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) pour s'organiser. Un brusque refroidissement (une trempe) le solidifie à l'état amorphe.

Les fibres

Les fibres naturelles sont connues et employées depuis longtemps en tant que fils textiles et cordages, par exemple le coton, le lin et le chanvre (Le chanvre (Cannabis sativa L.), connu aussi sous son nom latin cannabis, est une espèce de plante annuelle, de la famille des Cannabaceae.). Leur caractéristique est d'avoir une forme extrêmement allongée dans un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive...), et une section toute petite. Elles sont exploitées pour leur teneur mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet...) dans le sens de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...). Cette propriété provient d'un constituant, la cellulose, polymère naturel du glucose (Le glucose est un aldohexose, principal représentant des oses (sucres). Par convention, il est symbolisé par Glc. Il est directement assimilable par l'organisme.). La soie (De la soie (fibre textile d'origine animale) est produite par de nombreux insectes, araignées et chenilles de certains papillons notamment...), la laine sont d'autres exemples de fibres naturelles.

Les polymères synthétiques ont également conquis le domaine des fibres. Le nylon (un polyamide) a été l'un des premiers polymères synthétiques. Les fibres synthétiques ont une longueur pratiquement aussi grande que l'on veut, et sont appellées des filaments. Leur diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi...) est très petit, environ 50 à 10 µm, et même moins de 10 µm dans le cas des microfibres. Les filaments sont assemblés en fils (figure 6).


Figure 6: Dans une toile, les fils de coton entrecroisés sont faits de faisceaux de fibres
(microscopie électronique, cliché A. Boudet)

Les microstructures des fibres sont de toutes sortes. Elles peuvent être amorphes (fibres transparentes en polyméthacrylate de méthyle pour l'optique, fil de pêche en polyamide), quelquefois semi-cristallines. Mais souvent, les molécules s'étirent parallèlement à l'axe de fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.). C'est dans cette configuration que la fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) possède la meilleure résistance à la traction. De cette façon, on peut fabriquer des fibres ultra-résistantes. A condition toutefois que ces molécules soient solidaires. Cela est réalisé par des enchevêtrements ou par des liaisons hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) comme dans le cas du Kevlar, un polyaramide (figure 7).


Figure 7: Dans une fibre à haute résistance, les molécules (en vert) sont parallèles
et sont reliées par des noeuds ou par des liaisons hydrogène (en jaune)

Les polymères cristaux-liquides ou mésomorphes

La notion de cristal-liquide est exposée dans le dossier: les affichages par cristaux liquides (Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide conventionnel et celles d'un solide cristallisé. On exprime son état par le terme de mésophase.). Rappelons-en l'essentiel:
Les molécules des cristaux-liquides ne sont pas isotropes, elles ont une forme fixe qui possède une orientation privilégiée. Elles sont par exemple rigides et allongées sous forme de bâtonnets. Cela induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en...) une affinité pour des microstructures où ces bâtonnets sont empilés côte à côte, parallèlement les uns aux autres. Par rapport aux structures amorphe et cristalline, un ordre d'orientation a été introduit, une anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter différentes caractéristiques selon la direction.) dans la structure.

En ce qui concerne les polymères, un exemple d'anisotropie a été donné dans la section précédente avec les fibres à haute résistance. Dans ce cas, les bâtonnets rigides sont les monomères reliés de façon linéaire dans une même chaîne (figure 8). Une autre façon d'introduire les bâtonnets rigides dans une macromolécule (Une macromolécule est une très grande molécule. La notion de macromolécule a été introduite en 1922 par le chimiste allemand Hermann Staudinger. Un...) est de les attacher comme pendentifs le long d'une chaîne flexible (figure 9). On obtient des polymères cristaux-liquides en peigne. Ils adoptent naturellement une structure en couches constituées par les "dents" du peigne.


Figure 8: Macromolécule de polymère cristal-liquide linéaire


Figure 9: Macromolécule de polymère cristal-liquide en peigne
Partagez: 12 commentaires - Icone partage sur Facebook Icone partage sur Twitter Partager sur Messenger Icone partage sur Delicious Icone partage sur Myspace Flux RSS
Page générée en 2.475 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - Informations légales