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13/10/2018 1 Master «Ingénierie des Matériaux (INGEMAT)» & Master «Techniques d

13/10/2018 1 Master «Ingénierie des Matériaux (INGEMAT)» & Master «Techniques d’Analyse et contrôle qualité en industries Agroalimentaires» Module de Synthèse Macromoléculaire 2018 - 2019 1 A. Hafid « Sans polymères naturels, pas de vie Sans polymères synthétiques, pas de qualité de vie (Hans Uwe SCHENK) 2 A. Hafid I- INTRODUCTION Qu’est-ce qu’un matériau ? Un matériau est la forme marchande d’une matière première choisie en raison de propriétés d’usage spécifiques et mise en œuvre par des techniques appropriées pour l’obtention d’un objet de géométrie donnée à fonction préméditée. De manière symbolique et résumée, un matériau est une matière dont on fait un matériel. 3 A. Hafid 4 L’ère de la civilisation humaine est définie en tout temps en termes de matériaux desquels les armes et les outils sont fabriqués. • âge de pierre • âge de bronze • âge de cuivre • âge de fer • Ère du silicium dans la deuxième moitié du vingtième siècle par la technologie du silicium en électronique les polymères et matériaux légers et économiques, devrait marquée cette période comme l’ère du silicium. I- INTRODUCTION A. Hafid 13/10/2018 2 5 Les matériaux sont classés suivant différents critères tels que leur: Composition Structures atomiques et nature des liaisons Propriétés Classification des matériaux I- INTRODUCTION A. Hafid Principales familles de matériaux I-1. Les grandes classes de matériaux 6 A. Hafid 7 • Métaux et Alliages (liaisons métalliques) • Polymères organiques (liaisons covalentes et liaisons secondaires) • Céramiques (liaisons ioniques et liaisons covalentes) Classification suivant la nature des liaisons et sur les structures atomiques A. Hafid 8 • bon conducteurs de la chaleur et de l’électricité • opaques à la lumière visible qu’ils réfléchissent • Durs, rigides et déformables plastiquement • Température de fusion élevée Métaux et alliages I-2. Les propriétés des matériaux A. Hafid 13/10/2018 3 9 • les aciers par leur grande diversité et par leur prix relativement faible, restent, et resteront longtemps, le matériau de base des industries mécaniques • L’aluminium et les alliages légers pour l'industrie aéronautique • le nickel et les alliages résistant à haute température pour les moteurs Métaux et alliages I-2. Les propriétés des matériaux A. Hafid 10 • Matériaux composés de molécules formant de longues chaînes d’atomes de carbones sur lesquels sont fixés des éléments comme l’hydrogène ou le chlore, ou des groupements d’atomes comme le radical méthyle ( – CH3) • Isolants électriques et thermiques • Mise en forme facile • Ne supportent pas les températures > 200°C Polymères organiques I-2. Les propriétés des matériaux A. Hafid 11 • Matériaux inorganiques, SIO2 (silice), Al2O3(Alumine)... résultent de la combinaison d’éléments métalliques (Mg,Al, Ti..) avec des éléments non métalliques (O) • Résistances mécaniques et thermiques élevés • Matériaux fragiles comme le verre • Réfractaires • Abrasifs Céramiques I-2. Les propriétés des matériaux A. Hafid I-2. Les propriétés des matériaux Propriétés Métaux Matières plastiques Verre Bois, carton, papier Transparent/opa que Opaque Les deux Transparent Opaque Propriétés mécaniques Bonnes (Résistant, malléable, non cassant) Bonnes (déformables, résiste au choc) Mauvaises Moyennes Propriétés thermiques Conducteurs Non conducteurs Non conducteur Non conducteurs Propriétés électriques conducteurs Non conducteurs Non conducteurs Non conducteurs Combustion Non en général oui non oui Corrosion Dépend du métal non non non Recyclable oui oui oui oui 12 A. Hafid 13/10/2018 4 II- Matériaux Polymères II-1. Définition d’un polymère Un polymère (étymologie : du grec pollus, plusieurs, et meros, partie) est une substance constituée de macromolécules, organiques ou inorganiques. Une macromolécule est constituée de l'enchaînement répété d'un même motif, le monomère (du grec monos: un seul ou une seule, et meros : partie), reliés les uns aux autres par des liaisons covalentes. n Monomère Macromécule n (H2C-CH2) est appelé motif constitutif (unité répétitive) 13 A. Hafid Ces macromolécules (molécules géantes). sont formées de la répétition d’un même motif ou monomère n fois . n est appelé « degré de polymérisation » n peut être très élevé : de l’ordre de plusieurs millions Masse moléculaire molaire M d’un polymère : M = n x Masse molaire du monomère M peut être très élevée pour un polymère : de l’ordre de plusieurs millions de g.mol-1 C’est une moyenne car toutes les chaines n’ont pas la même longueur exactement Une chaîne polymère isolée 14 A. Hafid C H2 CH Ph * C H2 C H * n Ph styrène C H2 CH CH3 * C H2 C H * n CH3 C H2 CH2 * C H2 C H2 * n 15 A. Hafid Common Polyolefins Monomer Polymer Ethylene H3C CH3 n Repeat unit Polyethylene CH3 CH3 n CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 Propylene Polypropylene Ph CH3 n Ph Ph Ph Ph Ph Ph Ph Styrene Polystyrene Cl CH3 n Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Vinyl Chloride Poly(vinyl chloride) F2C CF2 Tetrafluoroethylene F3C F2 C C F2 F2 C C F2 F2 C C F2 F2 C C F2 F2 C C F2 F2 C C F2 CF3 n Poly(tetrafluoroethylene): Teflon 16 A. Hafid 13/10/2018 5 Polyesters, Amides, and Urethanes Monomer Polymer CO2H HO2C HO OH O O HO O H2 C H2 C O n Terephthalic acid Ethylene glycol Poly(ethylene terephthalate H Ester HO OH O O 4 H2N NH2 4 Adipic Acid 1,6-Diaminohexane Nylon 6,6 HO N H N H H O O 4 4 n CO2H HO2C Terephthalic acid NH2 H2N 1,4-Diamino benzene Kevlar O HO O H N H N H n Amide HO OH Ethylene glycol H2 C OCN NCO 4,4-diisocyantophenylmethane Spandex H2 C H N H N O HO O O H2 C H2 C O H n Urethane linkage 17 A. Hafid Natural Polymers Monomer Polymer Isoprene n Polyisoprene: Natural rubber O H HO H HO H H OH H OH OH Poly(ß-D-glycoside): cellulose O H O H HO H H OH H OH OH H n ß-D-glucose H3N O O R Polyamino acid: protein H3N O H N R1 O H N Rn+1 O OH Rn+2 n Amino Acid Base O OH O P O O O oligonucleic acid DNA Nucleotide Base = C, G, T, A Base O O O P O O O DNA DNA 18 A. Hafid 1ère spécificité : grandes masses molaires molécules "classiques" typiquement M ~100 g/mole (généralement < 200-500) macromolécules M = 10 000, 100 000, 1 million, plusieurs millions ! Pourquoi les polymères sont-ils des composés particuliers ? Enchevêtrements!! Un matériau polymère = un ensemble de chaînes 19 A. Hafid 2e spécificité : polymolécularité (ou polydispersité) dans un composé "classique" pur toutes les molécules sont identiques dans un polymère, il y a une multitude de molécules de tailles différentes (de masses molaires différentes) masse molaire unique Ps de masse molaire unique Mais masses molaires moyennes (Mn, Mw) 3e caractéristique : la polydispersité varie selon les échantillons distribution en masses molaires variable d'un échantillon à l'autre influence déterminante sur les propriétés 20 A. Hafid 13/10/2018 6 Domaines d’utilisation emballage emballage bâtiment bâtiment transport transport habillement habillement médical médical électrique, électronique électrique, électronique colles, vernis colles, vernis agriculture agriculture sports, loisirs peintures sports, loisirs peintures 21 A. Hafid 1838 : découverte de la cellulose (Payen) 1844 : vulcanisation du caoutchouc (Goodyear) 1846 : découverte de la nitrocellulose (Schonbein) 1907 : découverte des caoutchoucs synthétiques (Hofmann) 1910 : découverte de la Bakélite (Baekeland) A ce moment, on ne sait toujours pas A ce moment, on ne sait toujours pas ce que sont les polymères ! ce que sont les polymères ! II-2. Historique des matériaux polymères 22 A. Hafid 1919 : Staudinger (le père de la science des polymères) introduit la notion de macromolécules puis découvre de nombreux polymères 1933 : Polyéthylène haute pression (Fawcett & Gibson) 1938 : Nylon (Carothers) L’essor des polymères commence essentiellement L’essor des polymères commence essentiellement entre les deux guerres mondiales entre les deux guerres mondiales 1942 : théorie des solutions de polymères (Flory & Huggins) 1953 : découverte de la structure en double hélice de l’ADN (Crick & Watson) 1953 : polyéthylène basse pression (Ziegler) 1957 : premiers monocristaux macromoléculaires (Keller) Etc… II-2. Historique des matériaux polymères 23 A. Hafid 24 Monomères Monomères vinyliques R Oléfines éthylène, butadiène, isoprène OH O O CH3 O CH3 O O CH3 CN styrène acide acrylique acrylate de méthyle acrylonitrile acétate de vinyle O O CH3 méthacrylate de méthyle CH3 OH O acide méthacrylique R : groupe fonctionnel A. Hafid 13/10/2018 7 II-4. Fonctionnalité du monomère La fonctionnalité d'un monomère correspond au nombre de sites actifs disponibles dans ce monomère. 25 A. Hafid Nom des polymères La nature chimique du motif de répétition détermine le nom du polymère. Celui-ci est souvent également connu sous un nom commercial (Nylon) polyéthylène polypropylène polyester polyamide CH2 CH2 n CH2 CH n CH3 n R C O O n R C O N H 26 A. Hafid 27 A. Hafid III- Architecture moléculaire des polymères III-1. Macromolécules linéaires, ramifiées et tridimensionnelles polymère linéaire Polymère ramifié polymère en peigne Dendrimère Polymère réticulé polymère en étoile 28 A. Hafid 13/10/2018 8 III-2. Types de polymères III-2-1. Les homopolymères. III-2-2. Les copolymères. un seul type uploads/s3/ mon-crs-synthese-macro2018-19 2 .pdf