Polymères Cours TE GATE 3 [PDF]

Zitiervorschau

Cosmétique Emballage Electronique Textile

Automobile Aéronautique

Matériaux polymères

A retenir

Polymères naturelles ou synthétiques

Elaboration et synthèse des Polymères

Polymérisation en chaine

Polymérisation par étape

Deux molécules se combinent pour en former une autre, plus grande

Deux molécules se combinent pour former une molécule en éliminant une molécule simple, telle l'eau, le sulfure d'hydrogène, le méthanol ou l'acide acétique…

Polymérisation en chaine La polymérisation en chaine (polyaddition) résulte de la formation d’un centre actif A* qui fixe de façon successive de nombreuse molécules de monomères Cette polymérisation ne compte pas de sous produit et implique généralement un mécanisme d’ouverture de double liaison (C=C) ou d’ouverture de cycle.

Rappel (liaison covalente)

Polymérisation en chaine

Catalyseur

brise la liaison la plus fragile

Deux électrons se mettent en commun et forment une liaison covalent

Polyéthylène

Polymérisation en chaine Polymère (Polystyrène)

Monomère (Styrène)

Ecrire le polymère

Ecriture du polymère (Représentation)

Polymérisation en chaine

Ecrire les polymères issue des monomères suivants

Méthyle méthacrylate

Propène

Poly Méthyle propionate

Polymérisation par étape Deux molécules se combinent pour former une molécule en éliminant une molécule simple, telle l'eau, le sulfure d'hydrogène, le méthanol ou l'acide acétique…

Polymérisation par étape Deux molécules se combinent pour former une molécule en éliminant une molécule simple, telle l'eau, le sulfure d'hydrogène, le méthanol ou l'acide acétique…

L'estérification est une réaction de chimie organique au cours de laquelle un groupe fonctionnel ester R1-COO-R2 est obtenu par condensation d'un groupe acide carboxylique R1-COOH et d'un groupe alcool R2-OH ainsi que formation d'eau H₂O

Polymérisation par étape

Ecrire les polymères

Exercice d’application

Masse molaire d’une chaine polymère

Poly molécularité

Le degré de polymérisation est le nombre total de monomères contenus dans une macromolécule DP =

Masse molaire (polymère) Masse molaire (Monomère )

Lorsque ce degré de polymérisation (DP) est inférieur à 30, on parle d’oligomère et lorsqu’il est supérieur à 30, c’est un polymère.

Définitions à retenir

Plus le IP est proche de 1 plus les longueurs de chaine du polymère sont identiques IP ~ 1 polymérisation contrôlée (L’analogie inverse est vraie)

Masse molaire moyenne (Exercice)

Masse molaire moyenne (Corrigé)

Log (M)

Ve

Masse molaire (g/mol)

Volume d’élution (mL)

1.290.000

117,4

526.000

125,2

170.600

134,9

66.000

143,2

11.800

158,5

2.960

170,1

117,4 125,2 134,9 158,5 170,1

Log (M) = -0,501 × X + 11.98 Echantillon A

V e = 160 mL

Log (M/M) (ml)

Température de Transition vitreuse Tg

Comment déterminer les Tg et Tm Analyse thermique différentielle de polymères (DSC)

Appareillage de mesure

La différence de température sera converti en flux de chaleur

Analyse thermique différentielle de polymères (DSC) Calcul du % de cristallinité du polymère

Analyse thermique différentielle de polymères (DSC)

Analyse thermomécanique (DMA)

Analyse thermomécanique (DMA)

Analyse thermomécanique (DMA)

Classifications des Polymères Les polymères organiques sont réalisés à partir de monomères composés d’atomes utilisés en chimie organique : C, H, O, et N principalement ainsi que d’autres éléments comme les halogènes (F, Cl, Br, I) ou le souffre, le phosphore...Il existe d’autre polymères ou l’atome de carbone est remplacé par la silicone (Si).

Classifications

Classifications des Polymères

Classifications des Polymères

Polymère linéaire

Classifications des Polymères

Polymère ramifié

Polymère réticulé

Classifications des Polymères

On peut avoir les différentes possibilités de positionnement du groupe R par rapport au plan formé par la chaîne des carbones: a) polymère isotactique: les groupes (les radicaux)R sont placés d'un même côté du plan formé par les carbones caténaires, ils ont tous la même position; b) polymère syndiotactique: les groupes R sont situés alternativement de part et d’autre du plan, il sont une position alternée; c) polymère atactique: les groupes R sont fixés au hasard, ils ont une position aléatoire. Ces différences de géométries (la tacticité) influent grandement sur les propriétés physiques et sur la structure et la stabilité des phases cristalline des polymères.

Classifications des Polymères

Types de polymères

Polymères et structures Polymère cristallin

Polymère amorphe

Polymère semi-cristallin

Tg Tf Etat solide (rigide)

Etat liquide

Etat solide (rigide)

Tg

Tf Etat mou

Etat liquide caoutchouteuse

Etat solide (rigide)

Etat mou

Plastification Cette transformation vise à détruire la structure des chaines polymérique grâce à l'incorporation d'un plastifiant et grâce à des mouvements thermomécaniques. Comme on peut le voir sur le schéma à gauche, le plastifiant (molécules bleues) va venir s’insérer entre les chaînes pour rompre les liaisons hydrogènes inter-chaînes d’amidon et créer de nouvelles liaisons hydrogènes avec le plastifiant. Cela va ainsi grandement augmenter la mobilité des chaînes en créant du volume libre entre les chaines. L'agent plastifiant est rajouté en quantité inferieure à 50% (en poids).

Réticulation La réticulation correspond à la formation de liaisons chimiques suivant les différentes directions de l'espace au cours d'une polymérisation, d'une polycondensation ou d'une polyaddition, et qui conduit à la formation d'un réseau de chaines macromoléculaire. Un Polymère réticulé offre de propriétés mécaniques et thermiques plus intéressantes.

Charges (Renfort) Tout composé fibreux ou particules inorganiques non miscible avec le polymère qui peut être ajouté en quantité adéquate pour améliorer les caractéristiques mécanique et thermodynamique du matériau composites.

Notion de matériaux composites Composite = renfort + matrice Le renfort : comme son nom l’indique, le renfort assure la tenue mécanique du matériau. Organique ou inorganique, il se présente sous différentes formes (fibres, fibrilles, billes, particules…) selon les propriétés que l’on souhaite apporter au matériau. La matrice : elle sert à lier les fibres renforts et à répartir les efforts (résistance à la compression ou à la flexion). C'est un polymère ou une résine organique. On conçoit un composite en fonction du type d'application auquel il est destiné, ce qui le différencie des matériaux classiques pour lesquels on adapte la conception du produit.

Avantage des composites

Type de matériaux composites Les composites grande diffusion et les composites haute performance. Les composites grande diffusion représentent 95% des composites utilisés. Ce sont en général des plastiques renforcés par des fibres courtes, le taux de renfort avoisinant 30%. Dans plus de 95% des cas, ce sont des résines polyesters renforcées par des fibres de verre. Les composites haute performance, beaucoup plus chers, sont principalement utilisés dans l'aéronautique. Les renforts sont alors plutôt des fibres longues et le taux de renfort est supérieur à 50%. Leurs propriétés mécaniques (résistance mécanique et rigidité) sont largement supérieures à celles des métaux, d’où leur intérêt

Application des Matériaux Composites

Elaboration des Matériaux Composites

Dispersion (mélange physique)

Polymérisation in-situ

Analyse Thermogravimétrique (TGA) Technique d'analyse thermique qui consiste en la mesure de la variation de masse d'un échantillon en fonction du temps, pour une température ou un profil de température donné.

Analyse Thermogravimétrique (TGA)

% Poids 100%

20% Température

Tension Superficielle et Angle de Contact

Mouillage parfait

Mouillage (surface hydrophile)

Pas de Mouillage (surface hydrophobe)

Pas de Mouillage (surface superhydrophobe)

Propriétés mécanique des Polymères

Propriétés mécanique des Polymères Test de Traction

Propriétés mécanique des Polymères Test de traction

Contrainte :

σ=

F

-2

(N.m )

S

Elongation :

=

L -L i f Li

Propriétés mécanique des Polymères

Propriétés mécanique des Polymères Limite d’élasticité (loi de Hook) Module de Young (E) Contrainte = E × Déformation Zone de striction

Rupture

σ (MPa) = E × Elongation à la rupture Contrainte à la rupture

Propriétés mécanique des Polymères σ (MPa)

Fragile

Ductile

Elastomère

(%)