Leçons de niveau 15

Introduction à la science des matériaux/Les polymères - Propriétés générales

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Les polymères - Propriétés générales
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Chapitre no 18
Leçon : Introduction à la science des matériaux
Chap. préc. : Applications des céramiques
Chap. suiv. : Les polymères - Structure et propriétés mécaniques
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Introduction[modifier | modifier le wikicode]

Les polymères naturels ont été les premiers matériaux utilisés : bois et fibres végétales, cuir, tendons d'animaux, laine, etc. Les polymères synthétiques ont été développé durant la Seconde Guerre mondiale, les États-Unis étant alors privés de leur approvisionnement en caoutchouc naturel (sève d'hévéa).

Les polymères sont utilisés essentiellement pour :

  • leur souplesse : textiles, joints, flexibles, élastiques, films plastiques (emballage, sacs) ;
  • leur facilité de mise en forme : moulage d'objets de forme parfois complexe, contenants (flacons, bouteilles, bidons, cuves) ;
  • leur légèreté (faible masse volumique, certains flottent dans l'eau) : matrices de matériaux composites (construction navale, aviation), objets du quotidien ;
  • leurs propriétés de surface : anti-adhérence (Téflon) ou au contraire forte adhérence (pneu, peinture, colle) ;
  • leurs propriétés isolantes, thermiques et électriques ;
  • leur résistance à divers environnement chimiques : alimentaire, acides, …

Les limites d’utilisation sont :

  • la température : leurs propriétés mécaniques se dégradent dès que la température s'élève, la plupart des polymères s'altèrent, brûlent ou fondent à température modérée (inférieure à 300 °C) ;
  • la dégradation sous l'effet des rayons ultraviolets, de l'air (dioxygène, ozone) et de l'eau ;
  • leur faible dureté, leur faible résistance à la traction (sauf les fibres) , à l'érosion.

Fiche environnementale[modifier | modifier le wikicode]

Il existe de très nombreux polymères, mais l’on peut globalement établir la fiche suivante.




Le polychlorure de vinyle, de sigle PVC, contient une grande partie de chlore (17 % des atomes, 57 % de la masse) qui est un élément minéral ; sa fabrication requiert d'autant moins de pétrole. Par contre, il dégage des gaz extrêmement toxiques en brûlant (acide chlorhydrique), et est de ce fait interdit dans certains pays.

Question

Projetons-nous dans un avenir proche : la matière première, le pétrole, vient à manquer, les prix s'envolent, le critère économique (fabrication en grande série à moindre coût) ne se justifie plus. Quelles sont les applications qui, selon vous, doivent avoir la priorité pour l’utilisation des polymères synthétiques ?

Composition, fabrication et mise en œuvre[modifier | modifier le wikicode]

Structure d'un polymère

Comme dit précédemment (voir Structure de la matière et propriétés en découlant > Polymères), les polymères sont des macromolécules : de longues chaînes d'atomes, essentiellement de carbone (C), d'hydrogène (H) et d'oxygène (O), parfois d'azote (N), de fluor (F), de chlore (Cl), etc.

On a à la base une petite molécule appelée « monomère ». Les monomères s'assemblent pour former la longue chaîne polymère, ce terme signifiant « plusieurs monomères ».

Les chaînes en elles-mêmes sont souples, mais elles peuvent se lier entre elles par pontage (réticulation) et donner une structure rigide.

Polymères naturels[modifier | modifier le wikicode]

Les polymères naturels d'origine végétale sont fabriqués par les organismes vivants :

  • la photosynthèse chlorophyllienne des plantes prélève de l'eau et du gaz carbonique de l'air pour fabriquer les polymères, en particulier l'amidon et la cellulose (bois, tiges) ; leur culture fait donc diminuer la teneur en CO2 dans l'atmosphère ;
  • certaines cellules des animaux et plantes produisent des protéines, les kératines et collagène, dont le cuir, la laine et la soie.

Ces produits sont prélevés et travaillés pour donner les produits finis, essentiellement des textiles (habillement, cordages, draps, etc.) : coton, lin, chanvre, laine, soie, etc.

Bois

Le bois est prélevé tel quel (abattage d'arbres) puis usiné (sciage) pour faire des planches ou des poutres. Il faut le laisser sécher ou bien l'étuver avant de l’utiliser. Des traitements permettent d'améliorer ses propriétés :

  • traitement d'imprégnation de produits insecticides et fongicides, pour éviter la moisissure, les champignons (mérule) et les insectes xylophages et lignivores (termites, larves de capricorne) ;
  • traitement thermique modifiant la structure de l'extérieur et protégeant contre le pourrissement ;
  • cintrage à la vapeur d'eau, permettant d’avoir des pièces courbes sans couper la fibre : le bois vert ou humidifié sous étuve est très souple, on le courbe et on le laisse sécher sous contrainte.

Le bois est hygroscopique : il peut absorber une grande quantité d'humidité, il « travaille » sous l'effet des conditions climatiques.

Le bois est également la matière première principale de la pâte à papier : il est broyé dans de l'eau, ou bien cuit avec des produits chimiques, afin que les fibres se dispersent, puis on ajoute des produits donnant une tenue à la feuille (liant) et limitant la diffusion de l'encre (imperméabilisant). On peut aussi utiliser comme matière première des chiffons de lin, chanvre ou coton, ou encore du fumier (la paille broyée par la mastication de l'animal se retrouve dans l'excrément).

Torsion des fibres en Z ou en S pour former des fils
Tiges de plantes et poils d'animaux

Les tiges de certaines plante et la laine des animaux peut servir à faire des fils pour former des cordages, des filets ou des tissus : les fibres courtes sont assemblées et torsadées. On peut utiliser ces produits sous forme de « laine » pour l'isolation thermique ou phonique : les fibres sont disposée de manière désordonnée et aérée.

Les tiges de plante, essentiellement chanvre et lin, sont écrasées et cardées (brossées) ou peignées afin de séparer les fibres. Pour le coton, les fibres utilisées sont celles qui entourent la graine. Les fibres, relativement courtes, sont ensuite filées, c'est-à-dire torsadées afin de former un fil long et continu.

La laine est obtenue à partir de poils d'animaux : les animaux — moutons, chèvre (mohair, cachemire), lapins (angora), lama, alpaga, yack, chameau, etc. —, sont tondus, puis les poils sont lavés, cardés et filés pour former la laine. On peut aussi former du feutre en étalant les fibres courtes et en les soumettant à de la vapeur d'eau ou à de l'eau bouillante.

Les fibres végétales et la laine sont hygroscopiques : elles peuvent absorber une grande quantité d'humidité.

Croisement des fils dans un drap

Les fils peuvent ensuite être tissés, c'est-à-dire croisés, pour former un tissu.

On peut assembler les fils en les torsadant, ce qui donne un toron ; les torons sont à leur tour torsadés en sens inverse pour former un cordage. On peut aussi les tresser. Le toronnage et le tressage permettent de former des liens plus résistants.

Cuir

Le cuir est la peau d'animaux morts, essentiellement de vache ou de porcs. Cette peau est salée pour éliminer l'eau et éviter le pourrissement, lavée, puis on retire la partie extérieure (poils) et interne (partie sous-cutanée). La peau est tannée, c'est-à-dire traitée par des tanins, afin de la rendre imputrescible.

Caoutchouc

L'écorce de l'hévéa contient du latex ; il s'agit du liquide contenu dans les cellules de l'écorce tendre (autour du cambium). On obtient ainsi du caoutchouc naturel, auquel on mélange de la silice, de la craie, du soufre, des additifs, etc.

Le caoutchouc peut être mis en forme par pressage dans un moule, mais aussi en trempant une forme dans un bain de latex (liquide), qui forme alors un film. Le produit est ensuite chauffé pour assurer la vulcanisation : le soufre crée des pontages entre les chaînes de polymère et renforce le caoutchouc, qui devient élastique.

Comportement au feu

Le bois et les fibres naturelles brûlent mais ne dégagent pas de gaz toxiques et se consument lentement par rapport à la plupart des polymères synthétiques. Le caoutchouc brûle rapidement en dégageant une épaisse fumée noire.

Le cuir est incombustible et était utilisé pour les vestes des sapeurs-pompiers ; il est maintenant remplacé par des polymères synthétiques thermostables (marques Kermel, Nomex, Kevlar), plus légers.

Polymères artificiels[modifier | modifier le wikicode]

Les polymères artificiels sont obtenus par modification des polymères naturels. On peut citer les dérivés de la cellulose, utilisés en particulier pour les anciennes pellicules de photographie et de cinéma, et fibres textiles : trinitrate de cellulose (nitrocellulose, coton poudre), triacétate de cellulose (viscose, soie artificielle, rayonne).

La cellulose subit des réactions chimiques, le produit obtenu est utilisé comme les polymères synthétiques (c'est un matériau thermoplastique).

Son origine naturelle n'épuise pas les ressources pétrolières. Cependant, l'énergie primaire (108 à 119 MJ/kg) et les rejets de gaz à effet de serre (4 à 5 kgCO2/kg) sont assez élevés par rapport aux autres thermoplastiques.

Polymères de synthèse[modifier | modifier le wikicode]

Colonne de distillation

Les polymères synthétiques sont issus de la chimie du pétrole. La distillation du pétrole permet d'isoler les hydrocarbures ayant entre 6 et 11 atomes de carbone. Le pétrole est chauffé à environ 400 °C, la colonne de distillation fait 60 m de haut, et l’on récupère le naphta, c'est-à-dire la fraction qui se condense entre 180 et 30 °C. Les molécules du naphta sont cassées par de la vapeur d'eau dans un vapocraqueur, ce qui donne des monomères, puis on effectue des réactions chimiques afin d'assembler les molécules entres elles, c’est la polymérisation.

Mécanisme générique de polymérisation du polyéthylène

Par exemple, les molécules d'éthylène CH2=CH2 « s'accrochent » lors de la polymérisation pour former le polyéthylène …-( CH2-CH2)-( CH2-CH2)-… Pour cela, on utilise un catalyseur, c'est-à-dire une molécule permettant la réaction chimique mais ne faisant pas partie du produit final ; cette molécule est notée X dans la suite. Cette molécule possède un site actif permettant « d'ouvrir » la double liaison : soit un cation + (déficit d'électron) qui va capter un des deux électrons de la liaison e- pour se neutraliser, soit un radical libre (électron célibataire) qui va capter un des deux électrons de la liaison pour former une paire. Ce site actif est noté * dans la suite. La réaction est donc :

  1. Amorçage : le catalyseur X* ouvre la liaison et se greffe sur le monomère (l'éthylène) :
    X* + CH2=CH2 → X-CH2-CH2*
  2. Propagation : la molécule formée est porteuse du site actif, elle va donc réagir avec un monomère :
    X-CH2-CH2* + CH2=CH2 → X-(CH2-CH2-CH2)-CH2*

Et ainsi de suite pour former une chaîne CH3-(CH2-CH2)n-CH3, le catalyseur X* se détachant en fin de réaction.

Pour le polyéthylène, on dispose de plusieurs procédés :

  • procédé « Ziegler-Natta » : on utilise un catalyseur de type organométallique, c'est-à-dire une molécule organique contenant un atome métallique comme le triéthylaluminium Al(C2H5)3 ; cela donne du polyéthylène linéaire (PE-HD) ;
  • polymérisation par voie radicalaire : on utilise une molécule possédant un électron célibataire «  » ; cela produit un polymère ramifié (PE-BD) ;
  • polymérisation catalytique par métallocène : un métallocène est un complexe métallique — association d'un cation métallique et d'un anion organique —, ce catalyseur permet d'obtenir du polyéthylène à ultra-haute masse molaire (PE-UHMW).
Granulés de polyéthylène

Cette polymérisation forme une résine de base à laquelle on peut rajouter :

  • des additifs :
    • pigments, colorants,
    • assouplissants, dont les controversés phtalates et le bisphénol A (potentiellement toxiques et qui sont utilisés pour des objets à destination de nourrissons) : ces molécules se placent entre les chaînes de polymère et réduisent les attractions réciproques, ce qui diminue la rigidité du produit,
    • ignifugeant, notamment à base de métaux lourds,
    • produits dégageant des gaz, ce qui permet la fabrication de mousses,
    • … ;
  • des charges : des fibres ou particules (poudre) destinées à renforcer mécaniquement le produit.

La matière première issue de la pétrochimie se présente en général sous la forme de granulés.

Principe du moulage par injection plastique ;
1. vis d'extrusion ; 2. trémie ; 3. granulés ; 4. groupe de plastification ; 5. éléments chauffants ; 6. moule.

Les granulés sont fondus et moulés par injection :

  • les granulés sont introduits dans une vis sans fin et chauffés ;
  • la vis sans fin tourne en reculant : la chaleur produite par le frottement achève de faire fondre les granulés ;
  • la vis arrête de tourner et avance, poussant le polymère fondu dans le moule comme un piston de seringue.

Les moules sont en général en acier très durs afin de résister à la chaleur et à la pression (typiquement 4 t de poussée). Le moule est refroidi (thermorégulé) par un circuit d'eau.

Principe de l'extrusion-soufflage ;
1. vis d'extrusion ; 2. air comprimé ; 3. trémie ; 4. granulés ; 5. groupe de plastification ; 6. éléments chauffants ; 7. broyage ; 8. groupe hydraulique pour le vérin ; 9. filière ; 10. noyau/poinçon.

On peut aussi fabriquer des fils par extrusion :

  • les granulés sont introduits dans une vis sans fin et chauffés ;
  • le bout de la vis a un pas plus resserré puis a des dents qui assurent un malaxage et termine la fusion ;
  • le polymère liquide coule dans une filière et se solidifie.

Les fils peuvent ensuite être travaillés comme les fibres naturelles : filage, tissage.

On peut ajouter un « noyau » qui permet d'obtenir un tube au lieu d'un fil. La position du noyau est réglée par un vérin, ce qui permet de faire varier l'épaisseur de la paroi (paraison). Si l’on pince le tube et que l’on introduit de l'air comprimé, on fait gonfler le tube ce qui forme un bulbe, on parle alors d'extrusion-soufflage. Puis, une cisaille vient couper cette forme.

La forme obtenue sert de préforme pour la fabrication de bouteilles et de flacons par soufflage : la préforme est chauffée et introduite dans un moule, et de l'air comprimé vient plaquer le plastique contre les parois du moule. Le moule est souvent en alliage d'aluminium pour diminuer sa masse, donc son inertie, et permettre une forte cadence de production.

En augmentant la pression de l'air, on forme un tube à la paroi très fine qui sera ensuite coupé pour former un film plastique.

Un film polymère peut être mis en forme par thermoformage : il est chauffé, mis sous forme de bulle par soufflage, puis on le plaque sur une forme en aspirant l'air.

Le polymère peut aussi être dispersé dans un solvant pour former une résine, une colle ou une peinture. La couche de polymère se reforme après application lorsque le solvant s'évapore. Dans certains cas, le produit se présente sous la forme de deux pâtes à mélanger (bicomposant), la réticulation (formation d'un réseau tridimensionnel) se faisant par mise en contact des deux pâtes.

Biopolymères[modifier | modifier le wikicode]

Le terme « biopolymère » ou « bioplastique » n'a pas de définition précise et est surtout un terme commercial, utilisé pour flatter la fibre écologique des consommateurs. Il faut distinguer :

  • les polymères biodégradables : ces polymères se détruisent tout seul, mais leur matière première peut être autant naturelle — par exemple amidon — que des dérivés du pétrole ; leur avantage est la possibilité de les composter, donc leur fin de vie ne nécessite pas de dépense d'énergie (collecte, transformation ou incinération) ;
  • les polymères issus de la biomasse : polymères naturels — produits par la faune et la flore — ou artificiels — produits par polymérisation chimique ou par des micro-organisme génétiquement modifiés.

Par exemple, les PHA (polyhydroxyalkanoates) sont des polyesters fabriqués par des bactéries à partir de sucres (par exemple amidon de maïs).

Les « biopolymères » font donc partie des catégories déjà citées : synthétiques, naturels ou artificiels.

Dénomination[modifier | modifier le wikicode]

Les polymères sont en général nommé d’après le nom du monomère ; on utilise souvent les initiales, en particulier dans le logo pour le tri des déchets, selon la norme ISO 1043, ainsi que « code d'identification des résines » de la Society of the Plastics Industry (SPI, Canada) :

par exemple monomère = éthylène, polymère = polyéthylène, abréviation PE ;
le PE possède plusieurs codes d'identification des résines : 02 pour le polyéthylène haute densité (PE-HD), 04 pour le polyéthylène basse densité (PE-BD, ou PE-LD pour low density)

La norme utilise les noms anglais, il y a donc des inversions d'initiales par rapport aux noms français, par exemple :

  • chlorure de vinyle = vinyl chloride, poly(chlorure de vinyle) = poly(vinyl chloride), PVC ;
  • téréphtalate d'éthylène = ethylene terephthalate, poly(téréphtalate d'éthylène) = poly(ethylene terephthalate), PET ;

Les codes des élastomères se terminent souvent par R pour rubber en anglais (caoutchouc) :

  • NR pour le caoutchouc naturel (natural rubber) ;
  • IR pour le polyisoprène (synthétique) (isoprene rubber) ;
  • NBR pour le butadiène-acrylonitrile ou « caoutchouc nitrile » (nitrile butadiene rubber) ;

Les polymères sont classés par famille :

  • famille « mécanique » : thermmoplastique, thermodurcissable, élastomère (voir plus loin) ;
  • chimique : par famille de monomère.

Les abréviations, ou codes, des polymères les plus courants sont, par famille :

  • thermoplastiques :
    • acétals de polyaldéhyde, polyacétals : polyoxyméthylène (POM),
    • acryliques : polyméthacrylate de méthyle (PMMA, Plexiglas), polyacrylonitrile (PAN), 2-cyanoacrylate de méthyle (cyanoacrylate, MCA),
    • cellulosiques : triacétate de cellulose (CA),
    • polyamides : polyamide 6 (PA 6), polyamide 6-6 (PA 6-6, Nylon), polyamide 11 (PA 11),
      • polyamides aromatiques, ou aramides : poly-méta-phénylène isophtalamide (MDP-I, méta-aramide, Nomex), poly-para-phénylène téréphtalamide (PPP-T, para-aramide, Kevlar)
    • polycarbonate (PC) ;
    • polyéther : polyétheréthercétone (PEEK),
    • polyesters : polytéréphtalate d'éthylène (PET), polyester insaturé (UP), polytéréphtalate de butylène (PBT),
    • polyoléfines : polyéthylène (PE), polyéthylène à basse densité (PEBD, LDPE), polyéthylène à basse densité linéaire (PEBDL, LLDPE), polyéthylène à haute densité (PEHD), polyéthylène à ultra-haute masse molaire (PE-UHMW), polypropylène (PP),
      • polyoléfines fluorés : polytétrafluoroéthylène (PTFE, Téflon),
    • styréniques : polystyrène (PS), polystyrène butadiène (SB, polystyrène-choc), styrène acrylonitrile (SAN), acrylonitrile butadiène styrène (ABS),
    • vinyliques : polychlorure de vinyle (PVC), polychlorure de vinylidène (PVDC)[1] ;
  • thermodurcissables :
    • époxydes : polyépoxyde (EP)
    • phénoliques : phénol-formaldéhyde (phénoplaste, PF),
    • polyimides (PI) ;
  • élastomères :
    • butadiène-acrylonitrile (NBR, caoutchouc nitrile) ;
    • élastomères fluorés, fluoroélastomères : FPM (fluorinated propylene monomer, dénommé FKM dans la norme étatsunienne ASTM D 1418),
    • éthylène-acétate de vinyle (EVA),
    • polychloroprène (CR),
    • polyisoprène (IR, caoutchouc synthétique),
    • silicones ou siloxanes : polydiméthylsiloxane (PDMS), polydiphénylsiloxane (PDPS) ;

Les codes d'identification des résines sont :

  • 01 : PET ;
  • 02 : PEHD ;
  • 03 : PVC ;
  • 04 : PEBD ;
  • 05 : PC ;
  • 06 : PS ;
  • 07 : autres.

Certain polymères sont fréquemment désignés par un nom commercial ou un nom de marque, ou bien possèdent plusieurs noms chimiques, par exemple :

  • polymères thermoplastiques
    • acétal (acétal de polyaldéhyde) : polyoxyméthylène (POM),
    • Altuglas : polyméthacrylate de méthyle (PMMA),
    • Celluloid : acétate de cellulose (CA),
    • Kermel : méta-aramide (MDP-I), polyamide aromatique (PA) (polymère technique),
    • Kevlar : para-aramide (PPP-T), polyamide aromatique (PA) (polymère technique),
    • Loctite : cyanoacrylate (MCA) (polymère technique),
    • Nomex : méta-aramide (MDP-I) (polymère technique),
    • Nylon (marque déposée par Burberry) : polyamide 6-6 (PA 6-6),
    • Plexiglas : polyméthacrylate de méthyle (PMMA),
    • Rilsan : polyamide 11 (PA 11),
    • Super Glue : cyanoacrylate (MCA) (polymère technique),
    • Téflon : polytétrafluoroéthylène (PTFE) (polymère technique),
    • Tergal : polytéréphtalate d'éthylène (PET),
    • viscose : acétate de cellulose (CA),
  • polymères thermodurcissables :
    • Araldite : colle époxyde (EP),
    • Bakélite : phénoplaste (PF),
    • Kapton : polyimide aromatique (PI),
  • élastomères :
    • Adiprene : polyuréthane (AU, EU),
    • Buna N : caoutchouc nitrile (NBR),
    • Buna S : caoutchouc de styrène-butadiène (SBR),
    • Butyl : caoutchouc d'isobutène-isoprène (IIR),
    • Lycra : élasthanne,
    • Fluorel : fluoroélastomère (FPM),
    • Hypalon : polyéthylène chlorosulfoné (CSM),
    • Néoprène : polychloroprène (CR),
    • Perbunan : caoutchouc nitrile (NBR),
    • Vistalon : caoutchouc d'éthylène-propylène (EPM, EPDM),
    • Viton : fluoroélastomère (FPM),
    • Vulcolan : polyuréthane (AU, EU).
Note

Il ne s'agit pas de connaître tous les codes et équivalences de noms commerciaux. Par contre, il faut être capable de reconnaître un sigle correspondant à une résine, et prendre l'habitude, face à un nom commercial, de rechercher la dénomination chimique. Cela assure une indépendance par rapport aux fournisseur (possibilité de commander un produit similaire ayant un autre nom commercial par exemple).

Être lourd ou léger[modifier | modifier le wikicode]

Les polymères ont une masse volumique faible, similaire à l'eau (de l’ordre de 1 kg/dm3). Les masses volumiques de quelques polymères sont indiquées ci-après :

  • PS expansé : 0,016 à 0,64 kg/dm3 ;
  • cellulose : 0,2 à 0,4 kg/dm3 ;
    • bois : 0,1 (balsa), 0,4 (sapin, épicéa, peuplier), 0,8-1 (if, teck, olivier), 1,4 kg/dm3 (bois de fer) ;
  • IR : 0,68 kg/dm3 ;
  • PP : 0,9 kg/dm3 ;
  • EVA : 0,93 kg/dm3
  • PE : 0,91 (PEBD) à 0,96 kg/dm3 (PEHD) ;
  • PS extrudé : 1,05 kg/dm3 ;
  • PA 6-6 : 1,15 kg/dm3 ;
  • PC : 1,2 kg/dm3 ;
  • PEEK : 1,32 kg/dm3 ;
  • PET : 1,34 à 1,39 kg/dm3 ;
  • PVC : 1,38 kg/dm3 ;
  • POM : 1,42 kg/dm3 ;
  • aramide : 1,45 kg/dm3 ;
  • FPM : 1,8 kg/dm3 ;
  • PTFE : 2,16 kg/dm3.

Propriétés électromagnétiques[modifier | modifier le wikicode]

Les polymères sont dans leur très grande majorité des isolants électriques, de l’ordre de 109 à 1016 Ω⋅m (10-6 à 10-8 Ω⋅m pour les métaux), soit 1011 à 1018 Ω⋅cm (10-4 à 10-6 Ω⋅cm pour les métaux) ; ils sont par exemple utilisés pour le gainage de câbles électriques (PE, CR, PVC, silicone, etc.). Certains sont chargés en graphite pour faire des polymères conducteurs : le courant électrique peut passer de particule de graphite en particule de graphite (percolation). On peut aussi mettre des fibres métalliques. On obtient ainsi des produits avec une résistivité de 0,1 à 100 Ω⋅m (10 à 10 000 Ω⋅cm).

Un fil dans lequel passe un courant alternatif (source de puissance ou bien signal d'information) forme un condensateur avec la terre. La gaine fait partie du diélectrique de ce condensateur. Il en résulte une perte de puissance, caractérisée par un « facteur de perte diélectrique » noté « tan δ » (tangente delta) ; la puissance dissipée PD est proportionnelle à la puissance réactive PR et au facteur de perte :

PD = tan δ × PR.

Pour un condensateur parfait, on a tan δ = 0, toute la puissance du condensateur est dans la puissance réactive. Pour les polymères listés ci-dessous, tan δ varie de 3⋅10-5 à 0,15, soit 0,003 % à 15 %.

D'un point de vue du matériau, le champ électrique variable tend à orienter les chaînes de polymère ; on a un phénomène équivalent à un courant électrique entre l'extérieur de la gaine et le fil. La viscosité entre les chaînes influence ce courant. Le facteur de perte dépend de la fréquence du courant.

Variation de la rigidité diélectrique avec la température ; notons que l’on est un ordre de grandeur au dessus des valeurs tabulées, on s'attachera donc essentiellement à la forme des courbes

La rigidité diélectrique (résistance au claquage) de quelques polymères est rappelée dans le tableau ci-dessous. Cette valeur diminue avec la température, mais varie aussi avec l'humidité : les molécules d'eau peuvent se glisser entre les chaînes polymères, ce qui, outre un gonflement, dégrade fortement la capacité à résister au claquage. Un taux d'humidité de 95 % pour une température supérieure à provoque un claquage rapide de la plupart des polymères.

À , la rigidité diélectrique varie typiquement de 1 à 6⋅106 V/m (1 000 à 6 000 kV/m, 0,01 à 0,06 MV/cm).

Propriétés électromagnétiques de quelques polymères usuels[2],[3]
Matériau Résistivité
transversale
ρe
(1012 Ω⋅m)
Facteur de pertes
diélectriques
de 50 à 100 kHz
tan δ
( × 10-3)
Rigidité
diélectrique
Edis
(MV/m, kV/mm)
PE-bd 1 000 0,3 16,8
PE-hd > 100 0,2 à 0,4 17,6
PE-UHMW 10 0,2
PP 100 0,35 20
PVC rigide 100 14 à 18 11
PVC souple 0,01 à 1 100 à 150 11
PVDC 1 à 100 30 à 80
PS 500 0,2 16
SB 100 0,3 12
ABS 10 8 12,5
SAN 100 6 à 10 12
PMMA 10 30 à 60 14
PET 100 2 à 20
PBT 100 2 à 20
PA 6 0,5 10 à 30
PA 11 0,78 50 25
PA 12 10 30 à 40
PA 6-6 0,1 à 10 40 à 50 24
POM 10 1 à 5 15
PTFE 10 000 0,03 à 0,07 17,5
PVDF 1 10
CA 1 7 à 70 8
PC 100 0,9 à 10 15
PSU 500 1 à 5
PEI 70 2,5
PAI 100 26 à 31
PEEK 50 3
UP rigide 100 3 à 6 14
UP souple 1 000 10 à 50 14
EP 0,001 2 à 50 16
Résistivité transversale de quelques polymères conducteurs[4]
Nom commercial Matériau ρe
(Ω⋅m)
Latistat 43/7-02 PE-bd + charge
(confidentiel)
102
Faradex XA1111 ABS + fibres inox 0,2 à 1
Faradex XX6111 PC + fibres inox 0,2 à 1

Les polymères ne sont pas magnétisables.

Propriétés thermiques[modifier | modifier le wikicode]

Résister à la chaleur[modifier | modifier le wikicode]

Durée de vie d'un polymère en fonction de la température

Une des principales limitations à l’utilisation des polymères est la température. Le graphique ci-contre montre l'allure de la durée de vie d'un polymère en fonction de la température ; on voit qu'un polychlorure de vinyl (PVC) tient quelques minutes à et peut être utilisé une centaine d'heures à 100 °C. Un polymère thermostable, comme un polyimide aromatique ou un polyamide aromatique/aramide (Ultem, Kapton, Kermel), tient quelques minutes à 500 °C.

Les températures typiquement admises pour les principaux polymères sont indiquées dans le tableau ci-dessous.

Température maximale d’utilisation d'un polymère[5],[6]
Polymère Tmax (°C) Polymère Tmax (°C)
PP stabilisé 100 PETP 100
ABS 70 PC 110
POM 80 PPO 110
PA 6 stabilisé 100 PSU 150
PA 11 50 PI 210
PI aromatiques 250-300 aramides 400
PEEK 300 PTFE 320

Le comportement mécanique à la température des polymères est très variable :

  • à basse température, en dessous d'une température dite de transition fragile-ductile TTFD, le polymère est fragile, cassant ;
  • au-dessus de la température de transition vitreuse Tv (ou Tg), le polymère devient caoutchouteux : les parties amorphes ramollissent ;
  • au-dessus de la température de fusion Tf, le polymère est liquide ;
  • à haute température, le polymère (liquide ou solide) présente une dégradation thermique qui détériore ses propriétés ; il s'agit essentiellement d'une réaction d'oxydation par le dioxygène de l'air ou la vapeur d'eau, qui détruit les liaisons chimiques ;
  • au-delà d'une température critique, le polymère brûle ; certains polymères sont auto-extinguibles, en particulier les polyimides aromatiques, on a alors une carbonisation sans flamme.

On a, en kelvins, 0,5 × Tf < Tv < 0,8 × Tf.

Notons que :

  • les parties amorphes ne fondent pas de manière franche comme les métaux, on a une diminution progressive de la viscosité ;
  • les parties cristallisées fondent à la manière des métaux ;
  • les polymères tridimensionnels ne fondent pas, ils présentent une dégradation thermique à l'état solide.

On a donc typiquement :

  • entre TTFD et Tv : état vitreux, température d’utilisation ;
  • entre Tv et Tf : état caoutchouteux, température de thermoformage ;
  • au-dessus de Tf, mais en-dessous de la température de dégradation thermique ou de combustion : état liquide, pour le moulage par injection ou l'extrusion.

Le comportement au feu des polymères est en général assez mauvais :

  • la chaleur de la flamme provoque une « distillation » du polymère : les liaisons chimiques se cassent, ce qui produit des gaz inflammables ;
  • ces gaz alimentent la flamme.

Par ailleurs, ils produisent souvent une quantité importante de fumée noire, des particules de suie. Une fumée blanche n'en est pas moins dangereuse : elle n'emporte pas de suie, mais contient des gaz. Ces fumées sont « COMIX » :

  • chaude : elle peut brûler les voies aériennes (trachée, poumons) ;
  • opaque : on peut se perdre dans un incendie ;
  • mobile : en emportant la chaleur, elle peut provoquer un incendie plus loin ;
  • inflammable : elle peut se mettre à brûler « en l'air » et provoquer un embrasement généralisé (flashover) ou une explosion (backdraft) ;
  • toxique.

Enfin, sous l'effet de la chaleur, ils fondent en gouttant, ce qui provoque des brûlures et peut propager l'incendie. Ceci est résumé, pour les résines de base — n'ayant pas subi de traitement d'ignifugation ou de stabilisation —, dans le tableau ci-dessous.

Comportement au feu[7]
Polymère Inflammabilité Quantité
de fumée
Aptitude à fondre
en gouttant
Notes
PVC + à ++ +++ ++ certains produits s'éteignent tous seuls
PS +++ +++ ++ gouttes enflammées
ABS ++ +++
PA + + +++ fumée blanche, certains produits s'éteignent tous seuls
PMMA ++
CA ++ + +++ fumée blanche, certains produits s'éteignent tous seuls
PE, PP ++ + +++ fumée blanche, gouttes enflammées
mousse PU +++ + + fumée blanche
PS expansé +++ +++ +++ gouttes enflammées
PF carbonise sans flamme
UF + très difficilement inflammable, s'éteint tout seul

Ce tableau ne comporte que des polymères artificiels ou de synthèse. Les polymères intervenant aussi dans le génie civil, on peut regarder la stabilité au feu tel qu'évalué par le Centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB) ; le comportement au feu est classé selon la norme norme NF P. 92.507 :

  • M0 : incombustible ;
  • M1 : non inflammable (se consume lentement, sans flamme) ;
  • M2 : difficilement inflammable ;
  • M3 : moyennement inflammable ;
  • M4 : facilement inflammable ;
  • M5 : très facilement inflammable.

Cela donne accès à des comparaisons entre polymères synthétiques et naturels, comme indiqué dans le tableau ci-dessous.

Comportement au feu[8]
Polymère Classement Polymère Classement
PS sans additif M3 liège expansé M2
PS avec additif M1, M2 laine de chanvre M1
PU sans additif M3 laine de lin M3
PU avec additif M1, M2 laine de coco M1
PE M1 laine de coton M2, M3
laine de bois M2 roseau M3
granulats de bois
stabilisés au silicate de calcium
M1 laine de mouton M3
laine de cellulose M2

L'inflammabilité dépend de la forme de présentation : la cellulose compacte, comme une bûche de bois, présente peu de contact avec l'air donc s'enflamme difficilement et se consume lentement. Par contre, si le contact avec l'air est important, comme pour une feuille de papier, de la sciure ou de la laine de bois, il s'enflamme et se consume plus facilement. Quoi qu’il en soit, les polymères naturels sont en général plus stable au feu que des polymères synthétiques sans additif, à l'exception du polyéthylène et des polymères thermostables (polyimides aromatiques, aramides, PTFE) ; et surtout, ils dégagent une quantité limitée de fumée et pas de gaz toxiques en dehors du CO.

Conduire la chaleur ou isoler[modifier | modifier le wikicode]

Comportement mécanique[modifier | modifier le wikicode]

Thermoplastiques à haute performance.
Légende :
  • axe vertical gauche : « prix et performance » ;
  • axe vertical droite : « volume produit » ;
  • note en bas, partie gauche : « partiellement cristallisé : opaque, visqueux, résistant aux produits chimiques » ;
  • note en bas, partie droite : « amorphe : opaque, dur, réactif » ;
  • annotations à gauche de la pyramide, de haut en bas : « thermoplastique à haute résistance », « thermoplastique technique », « thermoplastique standard ».

Le sujet sera approfondi dans le chapitre suivant. Nous donnons toutefois quelques éléments généraux ici.

Classification[modifier | modifier le wikicode]

On considère habituellement trois familles de polymères selon leurs propriétés mécaniques :

  • les thermoplastiques : avec l'élévation de température, le polymère passe à l'état « fondu » (état fluide ou déformable), ce qui permet de le mettre en forme ; il devient rigide en se refroidissant, mais repasse à l'état fondu si on le réchauffe ;
    exemples : ABS, CA, PAN, PE, PEEK, PET, PMMA, POM, PP, PS, PTFE, PVC, SAN ;
  • les thermodurcissables : à la fabrication, le polymère devient visqueux avec l'élévation de température, ce qui permet sa mise en forme, puis devient irréversiblement rigide en raison de réactions chimiques ; il reste rigide même si la température s'élève à nouveau ;
    exemple : EP, PF, certains PI, UP ;
  • les élastomères : le polymère peut s'allonger énormément de manière élastique, il s'agit du caoutchouc naturel (sigle NR) et des caoutchoucs synthétiques ; il existe des élastomères thermoplastiques (TPE) (la plupart) et des élastomères thermodurcissables ;
    exemples : EPDM, NBR, IR.

Courbes de traction[modifier | modifier le wikicode]

Courbes de traction d'un polymère

On a quatre types de comportement mécanique, dépendant :

  • de la nature chimique du polymère (rigidité intrinsèque des liaisons pivot, liaisons possibles entre chaînes) ;
  • de la longueur des chaînes ;
  • de la ramification des chaînes ;
  • des liaisons entre chaînes (forces de van der Waals, liaisons hydrogène, pontages) ;
  • de la cristallinité (et donc de la vitesse de refroidissement lors de la fabrication de la pièce) ;
  • de la température et de la vitesse de traction.

Ces types sont (voir figure ci-contre) :

  • I : fragile ;
  • II : viscoélastique avec seuil d'écoulement σe ;
  • III : viscoélastique sans seuil d'écoulement ;
  • IV : viscoplastique.

Selon la température et la vitesse de déformation, un même polymère peut donc être fragile, viscoélastique ou viscoplastique.

Compatibilité chimique[modifier | modifier le wikicode]

Les polymères sont réputés stables chimiquement ; ils servent à la conservation des aliments (pour ne pas les altérer), de nombreux produits chimiques, sont utilisés pour des implants dans le corps humain (prothèses), … Pour autant, les polymères subissent des agressions chimiques de la part de l'environnement et se dégradent, se corrodent. Il est important de vérifier la compatibilité du polymère avec son environnement.

Un des cas typiques est celui des élastomère (joints et flexibles) pour les circuits d'huile sous pression (hydraulique : pompes, turbines, vérin, etc.) et le transport de produits chimiques.

Aptitude des élastomères à résister chimiquement[9],[10],[11]
Matériau Abré-
viation
Noms
commer-
ciaux
Fluide
air,
O2,
ozone
huiles
minérales
esters
phosphates
diesters alkyls
benzènes/
toluènes
poly-
glycols
acides bases carburants eau réfrigérant
ammoniac fréons
Caoutchouc
naturel
IR -- - -- -- + + + +
Nitrile
(acrylonitrile
butadiène)
NBR Perbunan,
Hycar,
Europrène
0 ++ - -- -- + 0 à + + + à ++ 0 à + + +
Fluoro-
carbone
FPM Technoflon,
Viton,
Fluorel
++ ++ + ++ ++ + ++ ++ ++ ++ -- 0
Silicone VMQ Silopren,
Silastic
++ - à + + + 0 0 -- à 0 0 à ++ -- à 0 ++ --
Poly-
uréthane
AU, EU Vulkollan,
Adiprène,
Urepan
- + à ++ -- - 0 0 -- à 0 - 0 à ++ -- à - - -
Éthylène-
propylène-
diène
EPDM Buna, Keltan
Dutral, Nordel
++ -- à 0 ++ -- -- + 0 à ++ ++ 0 + à ++ + +
Poly-
chloroprène
CR Néoprène,
Bayprène,
Butaclor
+ + à ++ - - 0 + 0 à + ++ 0 à ++ 0 à + ++ ++
Caoutchouc
butyle
IIR Butyl,
Polysar
+ -- à 0 + -- -- + 0 à ++ ++ 0 0 à ++ + +
Caoutchouc
de styrène-
butadiène
SBR Buna S -- - -- -- + + + +
Poly-
butadiène
BR -- - -- -- + + + +
Polyéthylène
chlorosulfoné
CSM Hypalon 0 - - - + + + +
Polymère
d'épichlorhydrine
CO,
ECO
0 -- + + 0 0 -- -
Pol-
acrylate
ACM + - - 0 0 - 0 0
Polysulfure
d'éthylène
T Thiogomme,
Thiokol,
Thiolatex
++ 0 - 0 - - -- 0
Fluoro-
silicones
FVMQ ++ - ++ + - ++ ++ 0
Légende : -- non recommandé, - passable, 0 moyen, + bon, ++ excellent

Par application[9],[12] :

  • eau : butadiène-acrylonitrile (NBR) ;
  • eau chaude, vapeur d'eau : « caoutchouc butyle » (IIR)
  • air comprimé : butadiène-acrylonitrile (NBR) ;
  • fluides hydrauliques : butadiène-acrylonitrile (NBR), éthylène-propylène-diène (EPDM) ;
  • oxygène (O2) : fluorocarbone (FPM) ;
  • alimentaire : caoutchouc silicone (VMQ) ;
  • carburants : butadiène-acrylonitrile (NBR) ;
  • huile minérale : butadiène-acrylonitrile (NBR), polychloroprène (CR) ;
  • eau additionnée d'huile soluble : butadiène-acrylonitrile (NBR) ;
  • solvants : fluorocarbone (FPM) ;
  • liquide de frein à base de glycol (ATE-SL) : polyéthylène chlorosulfoné (CSM) ;
  • fluides hydrauliques ininflammables, huiles à haute température, PCB (Pydraul) : élastomères fluorés (FPM), polychloroprène (CR) ;
  • hydrocarbures non aromatiques : NBR (Perbunan A 77), élastomères fluorés (FPM, Viton B) ;
  • chlore : élastomères fluorés (FPM, Viton B) ;
  • alcools non méthyliques : élastomères fluorés (FPM, Viton B) ;
  • réacteurs nucléaires : élastomères fluorés (FPM)

Vieillissement[modifier | modifier le wikicode]

Les deux principaux facteurs de dégradation d'un polymère, outre la température déjà évoquée, sont l'eau (liquide ou vapeur) et les rayons ultraviolets (UV).

Au cours du temps, les molécules d'eau se glissent entre les chaînes polymères. Or, l'eau affaiblit les liaisons faibles ; il se produit d’une part un gonflement du polymère, et d’autre part un assouplissement, une perte des propriétés mécaniques. Tous les solvants — en particulier les hydrocarbures — produisent ces phénomènes.

Par ailleurs, certains polymères, comme les polyesters, EP, PA, PI ou PU, peuvent réagir avec l'eau. Cette destruction par l'eau, ou hydrolyse, fragilise le polymère.

Les UV, quant à eux, peuvent amorcer des réactions avec le dioxygène de l'air ; ces réactions d'oxydation coupent les chaînes polymères. Cela produit une coloration, par exemple un jaunissement, et/ou une dégradation de la résistance à la rupture :

  • polymères très stables aux UV : polymères fluorés ;
  • polymères stables aux UV : PMMA, polyesters, PC ;
  • polymères dégradés par les UV : PA, PE, PS ;
  • polymères très sensibles aux UV : PP, PVC.

L'ajout de pigments peut absorber les UV et donc réduire le vieillissement ; c’est par exemple le cas du noir de carbone dans les pneumatiques.

Notes[modifier | modifier le wikicode]

  1. Au sens strict du terme, un vinyle est une molécule de type R-C=CH2 ; le polyéthylène (PE), le polystyrène (PS), le polyisobutène (PIB), le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), le polytétrafluoroéthylène (PTFE, Téflon), etc. sont donc de la famille des vinyliques ; dans la pratique, ce terme est plutôt réservé au PVC et PVDC.
  2. J.-P. trotignon, J. Verdu, A. Dobraczynski, M. Piperaud, Précis de matières plastiques, Afnor/Nathan, 1993 (ISBN 2-12-425021-2[à vérifier : ISBN invalide]) 
  3. Y. Déplanche, Mémo formulaire, Casteilla, 1991 (ISBN 2-7135-1190-9), p. 237 
  4. J.-P. trotignon, J. Verdu, A. Dobraczynski, M. Piperaud, Précis de matières plastiques, Afnor/Nathan, 1993 (ISBN 2-12-425021-2[à vérifier : ISBN invalide]), p. 121 
  5. J.-P. Trotignon, J. Verdu, A. Dobraczynski, M. Piperaud, Précis de matières plastiques, Afnor/Nathan, 1993 (ISBN 2-12-425021-2[à vérifier : ISBN invalide]), p. 47 
  6. Wikipédia : Thermostabilité
  7. C. Corbet, Mémotech — matières plastiques, Paris, Casteilla, 1995 (ISBN 2-7135-1470-3), p. 8 
  8. J.-P. Oliva, L'isolation écologique — Conception, matériaux, mise en œuvre, Mens, Terre vivante, 2008 (ISBN 978-2-904082-90-0), p. 47 à 92 
  9. 9,0 et 9,1 J.-L. Fanchon, Guide des sciences et technologies industrielles, Afnor, Nathan, 2001 (ISBN 2-09-178761-2), p. 416 
  10. A. Chevalier, Guide du dessinateur industriel, Hachette, 1998 (ISBN 2-01-16-7583-9), p. 275 
  11. Compatibilité des élastomères avec les fluides, Esso, 1988 
  12. A. Chevalier, Guide du dessinateur industriel, Hachette, 1998 (ISBN 2-01-16-7583-9), p. 214