Polyamide

Un polyamide est un polymère contenant des fonctions amides − C( = O) − NH − résultant d'une réaction de polycondensation entre les fonctions acide carboxylique et amine.

En 1927, la société américaine DuPont constitue un service de recherches pour l’étude de la synthèse des polymères à longues chaînes. La direction en est confiée à Wallace Hume Carothers. Le polyamide 6-6 est découvert en 1936, la production à l'échelle industrielle débutera en 1938. Parallèlement Paul Schlack un chimiste allemand, obtient par ouverture puis polycondensation d‘un caprolactame (amine cyclique), une résine polyamide à six atomes de carbone baptisée Perlon. Le polyamide (PA) fut rapidement utilisé dans l'industrie textile en particulier pour la fabrication des toiles de parachute, et plus connu par la suite sous l'appellation de nylon.

Depuis la famille des polyamides s’est agrandie ainsi que les producteurs. La consommation a augmenté de façon significative ces dernières années face à la demande provenant de l'industrie automobile. Ils trouveront une large variété d’applications techniques grâce à leurs excellentes propriétés. En injection par exemple, en substitution des métaux et autres résines thermodurcissables. Des grades de plus en plus élevés leurs permettront d’être extrudés voire thermoformés.

Selon la composition de leur chaîne squelettique, les polyamides sont classés en aliphatiques, semi-aromatiques et aromatiques. Selon le nombre de types d'unités répétitives, les polyamides peuvent être des homopolymères ou des copolymères :

• Polyamides aliphatiques, exemple : Nylon de DuPont :

• Homopolymères :

• PA 6 : Polycaprolactame [NH−(CH₂)₅−CO]_n fabriqué par ouverture du cycle caprolactame

• PA 12 : Polylauroamide fabriqué par ouverture du cycle lauryllactame

• PA 11 : Polyundécanamide fabriqué à partir de l'acide amino undécanoïque, un acide aminé

• PA 4-6 : Polytétraméthylène adipamide fabriqué à partir de la tétraméthylènediamine et de l’acide adipique

• PA 6-6 : Polyhexaméthylène adipamide : [NH−(CH₂)₆−NH−CO−(CH₂)₄−CO]_n fabriqué à partir de l’hexaméthylènediamine et de l’acide adipique

• PA 6-9 : Polyhexaméthylène nonanediamide fabriqué à partir de l’hexaméthylènediamine et l’acide 1,9-nonanedioïque

• PA 6-10 : Polyhexaméthylène sebaçamide fabriqué à partir de l’hexaméthylènediamine et l’acide sebacique

• PA 6-12 : Polyhexaméthylène dodécanediamide fabriqué à partir de l’hexaméthylènediamine et l'acide 1,12-dodécanedioïque

• Copolymères :

• PA 6/6-6 : [NH-(CH₂)₆−NH−CO−(CH₂)₄−CO]_n−[NH−(CH₂)₅−CO]_m fabriqué à partir de caprolactame, d'héxaméthylènediamine et d'acide adipique ;

• PA 6-6/6-10 : [NH−(CH₂)₆−NH−CO−(CH₂)₄−CO]_n−[NH−(CH₂)₆−NH−CO−(CH₂)₈−CO]_m fabriqué à partir d'héxaméthylènediamine, d'acide adipique et d'acide sebacique.

• Polyamides semi-aromatiques ou polyphtalamides, exemple : Trogamid d’Evonik Industries :

• PA 6-I : Polyhexaméthylène isophtalamide fabriqué à partir de l’héxaméthylènediamine et l’acide isophtalique

• PA 6-T fabriqué à partir de l’hexaméthylènediamine et de l’acide téréphtalique

• PA mXD-6: Polymétaxylylène adipamide fabriqué à partir de la m-xylylènediamine et l’acide adipique

• Polyamides aromatiques ou Aramides = aromatic poly**amide**s, exemples : Kevlar et Nomex de DuPont, Teijinconex, Twaron et Technora de Teijin :

• PA MPD-I : Polymétaphénylène isophtalamide fabriqué à partir de la métaphénylènediamine et l’acide isophtalique

• PA PPD-T : Polyparaphénylène téréphtalamide fabriqué à partir de la paraphénylènediamine et l’acide acide téréphtalique

• PA NDT/INDT : fabriqué à partir de la 2,2,4/2,4,4-triméthyl-hexaméthylènediamine et l'acide téréphtalique

Selon leur cristallinité, les polyamides peuvent être :

• semi-cristallins :
• à faible cristallinité : PA4-6 et PA 6-6 ;
• à grande cristallinité : PA mXD-6 ;
• amorphes : PA 6-I.

Selon cette classification, le PA6-6, par exemple, est un homopolyamide aliphatique semi-cristallin.

Les polyamides aliphatiques sont désignés par un ou plusieurs chiffres relatifs au nombre d'atomes de carbone contenu dans le motif de répétition :

• Les polyamides dont le nom comporte un seul nombre (PA 6, PA 11, PA 12 par exemples) sont obtenus par polycondensation d'un acide aminé ou par polymérisation par ouverture du cycle d'un lactame avec respectivement 6, 11 ou 12 atomes de carbone dans le motif.
• Les polyamides dont le nom comporte deux nombres (PA 4-6, PA 6-6, PA 6-10, PA 6-9, PA 6-12 par exemple) sont obtenus par polycondensation d’un diacide carboxylique et d’une diamine. Les valeurs correspondent au nombre d'atome de carbone composant un motif de la chaîne dont respectivement, le nombre d'atomes de carbone de la diamine et du diacide.

Dans le cas d'un poly(tétraméthylène adipamide) la réaction se fera à partir du 1,4-tétraméthylènediamine en présence d’acide adipique avec dégagement d’une molécule résiduelle (H₂0).

Caractéristiques

Il s'agit de polymères généralement à structure semi-cristalline, qui présentent un bon compromis entre caractéristiques mécaniques et chimiques. La concentration en fonction amide et la régularité de leurs espacements conditionnent les propriétés du matériau. La température de fusion (T_f) augmente avec la concentration en fonction amide, et de surcroit lorsque le nombre de carbone composant les deux segments de chaine est pair dans le cas d’un système − (AA − BB)_n − .

Les polyamides sont en général des matériaux sensibles à l'humidité par la présence de groupements polaires. Les propriétés mécaniques et dimensionnelles peuvent donc être affectées selon les conditions de stockage et de mise en œuvre. Ils sont également assujetti à l’oxydation à haute température ainsi qu’une résistance limitée au feu. Pour pallier ce dernier, l'utilisation d'ignifugeant est possible à partir de composés halogénés (bromés ou chlorés) ou bien de composés inorganiques.

Utilisation spécifique

BASF, DuPont, Lanxess, Rhodia, A Schulman ont développés des polyamides 6 et certains 6,6 spécialement adaptés au procédé d’injection assistée par eau. Ce procédé couplé à des polyamides de grades spécifiques devient courant pour des applications sous capot ou destinés au transport de fluides. Par leurs propriétés mécaniques à haute température et leur résistance aux fluides industriels (huile, glycol, etc), les polyamides transformés par injection assistée eau viennent ainsi directement concurrencer le polypropylène.

A mi-chemin entre les polyamides aliphatiques et les polyaramides (PAA), les polyphtalamides (PPA) se classent au rang des polymères hautes performances. La différence fondamentale par rapport aux polyamides aliphatiques, réside dans la présence d’un cycle aromatique sur les segments diacides d’où leur appellation triviale de polyamide semi-aromatique.

Cette "rigidité" apportée par un cycle aromatique se traduit par une meilleure conservation des propriétés à hautes températures avec de plus, une bonne stabilité dimensionnelle. Pour les PPA en général, les températures de transition vitreuse et de fusion sont plus élevées. Leur aptitude à cristalliser est fonction de la nature du motif, certains y parviendront d’autres seront amorphes, on parle aussi dans certains cas de microcristallinité.

L'exemple d'un PA NDT/INDT ci-dessous, un polymère amorphe et transparent, issue d’une copolycondensation entre un 2,2,4/2,4,4-triméthyl-hexaméthylènediamine et un acide téréphtalique commercialisé par Evonik Industries sous l'appellation TROGAMID T.