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1 Cntre universitaire ahmed zabana relizene Melle KERROUZ Centre universitaire

1 Cntre universitaire ahmed zabana relizene Melle KERROUZ Centre universitaire Ahmed Zabana Relizane 3ème LMD Cours polymères 1. Polymères 1.1. Définition Le mot polymère vient du grec « polus » plusieurs, et « meros » partie. Un polymère est une macromolécule, organique ou inorganique, 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. Les chaînes de polymères interagissent entre elles avec des forces plus faibles comme les liaisons de van der Waals. Les propriétés des polymères dépendent notamment du type de monomère(s), de la nature de leur assemblage et du degré de polymérisation. Dans la macromolécule suivante .....M-M-M-M-M-M-M..... = [-M-]n l’unité constitutive est M; elle est formée d’un groupe d’atomes qui se répète. A l’échelle moléculaire, quelques centaines de nm, la plupart des macromolécules se présentent sous forme de «fils long et souples». Les réactions chimiques permettant de passer d’un monomère M à la macromolécule [-M-]n s’appellent polymérisation. M= motif monomère (motif de répétition) n=degré de polymérisation ; nombre de fois que l’on rencontre M dans la macromolécule Exemple : Le polyéthylène Molécule d’éthylène : ou Polyéthylène : Chapitre I Classifications des polymères 1.2. : Les polymères peuvent être classés en différentes familles. 1.2.1. Suivant leurs origines 1.2.1.1. Polymères naturels : Cellulose (C6H10O5), le cuir, l’os, le caoutchouc naturel… 1.2.1.2. Polymères artificiels : pour lesquels on modifie chimiquement les polymères naturels tout en préservant le squelette moléculaire. 1.2.1.3. Polymères synthétiques : issue de la chimie macromoléculaire. 1.2.2. Suivant leur structure moléculaire Les procédés modernes utilisés pour la synthèse des polymères permettent de leur conférer des structures variées. 1.2.2.1. Polymères linéaires Les monomères sont joints bout à bout en chaînes simples. Ces longues chaînes flexibles qui font penser à une masse de spaghettis. Dans le cas des polymères linéaires, les liaisons de Wan Der Waals entre les chaînes peuvent être prononcées. Parmis les polymères courants qui adoptent une structure linéaire figurent : le Polychlorure de Vinyle 2 Cntre universitaire ahmed zabana relizene Melle KERROUZ 1.2.2.2. Polymères ramifiés: Les Polymères ramifiés se caractérisent par la présence de chaînes latérales qui sont raccordées aux chaînes principales. 1.2.2.3. Polymères à liaisons transversales: Des liaisons covalentes joignent en divers points les chaînes linéaires adjacentes. Ces liaisons apparaissent au cours de la synthèse du polymère ou à la suite d’une réaction chimique irréversible et résultent souvent de l’ajout d’atomes comme par exemple : le caoutchouc naturel comporte des liaisons transversales d’atomes de S. 1.2.2.4. Polymères réticulés: Les monomères à liaisons covalentes forment des réseaux tridimensionnels et sont plus rigides. Les époxydes appartiennent à ce groupe. Un polymère est une macromolécule dans laquelle un même motif est répété, le monomère. On peut constituer, des dimères, trimères etc. et finalement un polymère. Par exemple dans le cas du polyéthylène : Monomère : CH2=CH2 Éthylène Polymère : (-CH2CH2CH2CH2CH2CH2-)n Polyéthylène Figure I.7 : Schéma d’un polymère linéaire amorphe Tous les matériaux polymères présentent une large gamme de comportement mécanique, élastiques fragiles, ils deviennent plastiques, puis viscoélastiques, puis encore caoutchoutique et enfin purement visqueux au fur et à mesure que la température augmente. Toutes ces transitions de comportement se produisent dans une plage de température assez étroite, typiquement entre - 30°C et +200°C. Ces transitions de comportement sont fortement liées à la structure du matériau et varient significativement d’un polymère à l’autre. Ce paragraphe vise à décrire brièvement la structure des matériaux polymères à différentes échelles, l’échelle moléculaire, l’échelle macromoléculaire et enfin l’échelle morphologique. A chacune de ces échelles nous nous limiterons à discuter quelques éléments qui sont connus pour avoir un fort impact sur le comportement du matériau. I.3.3.1 Avantages et inconvénients Les polymères sont bien adaptés aux applications biomédicales en raison de la grande diversité de leurs propriétés: 3 Cntre universitaire ahmed zabana relizene Melle KERROUZ o Flexibles ou rigides o Résistant à l’adhérence de protéines ou au contraire modifiés pour encourager leur adhérence o Biodégradables ou permanents o Peuvent avoir des formes très complexes Leurs inconvénients par rapport aux métaux et céramiques: o Moins résistants que métaux et céramiques o Peuvent se déformer avec le temps et se détériorer lors de la stérilisation o Peuvent se dégrader de manière catastrophique dans le corps ou produire des dérivés toxiques Tableau 3 : Quelques biomatériaux polymères et leur usage I.3.3.2 Notions de structure Les matériaux polymères sont constitués de molécules géantes (macromolécules) organiques (atomes de carbone, d’oxygène, d’hydrogène et d’azote) sur lesquelles peuvent être greffées des radicaux (fluor, soufre, silicium etc…). Les liaisons entre les atomes d’une macromolécule sont des liaisons covalentes. Ces liaisons covalentes (par exemple la liaison C-H), sont souvent dissymétriques, elles portent alors un dipôle électrique (§ 2.2). Ces dipôles sont à l’origine d’interactions électrostatiques entre macromolécules. Ces interactions, appelées liaisons faibles, assurent la cohésion du matériau. Lorsque la température augmente, ces liaisons faibles « fondent » les premières. Leur température de fusion est appelée Tg, la température de transition vitreuse du polymèr I.3.3.4 Echelle macromoléculaire 4.1. Polymères thermoplastiques. Ils sont constitués de macromolécules linéaires ou faiblement ramifiées (formée de branches). A la température ambiante les liaisons faibles entre macromolécules ne sont pas fondues. Lorsqu’on augmente la température, ces liaisons fondent ce qui permet la mise en forme ou le recyclage du matériau. Selon la rigidité moléculaire, les mouvements des molécules sont plus ou moins faciles (§ 3.3.2). Plus les interactions entre groupements seront fortes, plus la structure du polymère tendra à s’organiser. On distingue ainsi trois structures pour les macromolécules à température ambiante. Les structures : atactique, isotactique et syndiotactique. Lorsque la structure est atactique (faible rigidité moléculaire) 4 Cntre universitaire ahmed zabana relizene Melle KERROUZ les groupements sont distribués aléatoirement de chaque côté de la molécule. exemple: polyéthylène - (CH2 - CH2)n Le PVC est plus rigide que le polyéthylène (PE) car l’atome de chlore plus gros réduit les glissements - (CH2 - CHCl)n Un autre exemple connu sous le nom de plexiglas est le poly méthacrylate de méthyle (PMMA). Dans ce cas, un atome d’hydrogène est remplacé par un groupe de méthyle (CH3) et un second par un groupe acrylique (COOCH3), ce qui le rend plus rigide et augmente le module d’élasticité. Ses molécules s’orientent difficilement de manière cristalline, ce qui le rend structurellement amorphe (matériau dont la structure ne possède pas d’ordre à grande distance). Le PMMA est optiquement transparent. Figure I.7 Structure du PMMA Figure I.8 : exemple du polypropylène (propène), -(CHCH3-CH2)n-, (a) représentation du monomère, (b) structure atactique, (c) structure isotactique, (d) structure syndiotactique. 4.2. Polymères thermodurcissables Ces polymères sont constitués de réseaux à mailles serrées. On peut les fabriquer à base de polymères thermoplastiques. Sous l’effet de la chaleur ou en employant un catalyseur, ils forment de nombreuses liaisons covalentes entre chaînes, cette réaction est appelée la réticulation de la résine (la réticulation du polymère, c’est l’établissement de liaisons entre les macromolécules.). Ils durcissent et deviennent alors très rigides. Les ponts entre chaînes ne pourront plus être « fondus » en augmentant la température, ces polymères ne sont pas recyclables. Exemples, la résine époxy, résine polyuréthanes, résine urée formaldéhyde Les polymères thermodurcissables se dégradent lorsqu’on les chauffe et ne sont pas recyclables (structure 3D). Exemple: colle époxy (le catalyseur mélangé favorise les liaisons 3D de l’époxy). La densité des liaisons conditionne les propriétés mécaniques. Pour les gants de caoutchouc elles sont peu nombreuses mais si l’on ajoute des composants de soufre et qu’on augmente les liaisons on obtient des pneus. 5 Cntre universitaire ahmed zabana relizene Melle KERROUZ Figure I .9 : formation d’une résine époxy réticulée à partir de polymère époxy et d’un catalyseur. 4.3. Elastomères Ces polymères sont constitués de réseaux à mailles larges, en outre à température ambiante les liaisons faibles sont fondues. Comme les polymères thermodurcissables, les ponts entre chaînes se forment sous l’effet de la chaleur ou en employant un catalyseur, mais ces ponts restent rares. Ces polymères ne sont pas recyclables. Fig.1.10: (a) le caoutchouc naturel, un polymère de l’isoprène, (b) pont (S-S) entre chaînes assurant la cohésion de l’ensemble en l’absence de liaisons faibles, dans le caoutchouc vulcanisé. Le caoutchouc naturel par exemple est un polymère linéaire de l’isoprène. A température ambiante, les liaisons faibles sont fondues, ce qui fait que le caoutchouc naturel est liquide. Il faut charger ce polymère en soufre puis lui appliquer un traitement thermochimique pour que se forment des ponts entre chaînes (pont S). Ce traitement s’appelle la vulcanisation (Le caoutchouc vulcanisé a une solidité et une élasticité accrues, ainsi qu'une plus grande résistance aux changements de température). Alors le caoutchouc devient un élastomère c'est-à-dire un matériau capable de très grandes déformations viscoélastiques. Il est également possible de cristalliser un polymère, partiellement ou même complètement. Le processus peut être naturel, auquel cas les zones cristallisées restent petites et d’orientations variables, ou bien induit par le procédé de mise en forme à l’état fondu auquel la fraction volumique de la zone cristallisée est plus grande et l’orientation des cristaux est liée au procédé. Lors de l’étirage d’un polymère uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-polymeres-kerrouz-3-gm-x.pdf