Heading

Polymères et élasticité

Une molécule polymère est constituée de plusieurs milliers d’unités chimiques répétitives, ou monomères, liées entre elles par des liaisons covalentes. L’assemblage des unités liées est souvent appelé « chaîne », et les atomes entre lesquels la liaison chimique a lieu sont dits constituer le « squelette » de la chaîne. Dans la plupart des cas, les polymères sont constitués de squelettes de carbone, c’est-à-dire de chaînes d’atomes de carbone (C) reliés entre eux par des liaisons simples (C-C) ou doubles (C=C). En théorie, les chaînes de carbone sont très flexibles, car la rotation autour des liaisons simples carbone-carbone permet aux molécules d’adopter de nombreuses configurations différentes. En pratique, cependant, de nombreux polymères sont plutôt rigides et inflexibles. Les molécules de polystyrène (PS) et de polyméthacrylate de méthyle (PMMA), par exemple, sont constituées d’unités relativement volumineuses, de sorte qu’à température ambiante, le mouvement libre est entravé par un encombrement important. En fait, les molécules de PS et de PMMA ne bougent pas du tout à température ambiante : on dit qu’elles sont dans un état vitreux, dans lequel l’arrangement aléatoire, « amorphe », de leurs molécules est gelé sur place. Tous les polymères sont vitreux en dessous d’une température de transition vitreuse (Tg) caractéristique, qui varie de -125 °C (-195 °F) pour une molécule extrêmement souple comme le polydiméthylsiloxane (caoutchouc de silicone) à des températures extrêmement élevées pour les molécules rigides et volumineuses. Pour le PS et le PMMA, la Tg est d’environ 100 °C (212 °F).

Certains autres polymères ont des molécules qui s’emboîtent si bien qu’elles ont tendance à s’emballer ensemble dans un arrangement cristallin ordonné. Dans le polyéthylène haute densité, par exemple, les longues séquences d’unités d’éthylène qui constituent le polymère cristallisent spontanément à des températures inférieures à environ 130 °C (265 °F), de sorte que, à des températures normales, le polyéthylène est un solide plastique partiellement cristallin. Le polypropylène est un autre matériau « semi-cristallin » : ses cristallites, ou régions cristallisées, ne fondent pas avant d’être chauffés à environ 175 °C (350 °F).

Donc, tous les polymères n’ont pas la flexibilité interne nécessaire pour être extensibles et très élastiques. Pour avoir ces propriétés, les polymères doivent avoir peu d’entraves internes au mouvement aléatoire de leurs sous-unités monomères (en d’autres termes, ils ne doivent pas être vitreux), et ils ne doivent pas cristalliser spontanément (du moins aux températures normales). Lorsqu’ils sont libérés de leur extension, ils doivent être capables de revenir spontanément à un état désordonné par des mouvements aléatoires de leurs unités répétitives à la suite de rotations autour de la liaison carbone-carbone. Les polymères qui peuvent le faire sont appelés élastomères. Tous les autres sont appelés plastiques ou résines ; les propriétés et les applications de ces matériaux sont longuement décrites séparément dans l’article plastique (résines thermoplastiques et thermodurcissables).

Quatre élastomères courants sont le cis-polyisoprène (caoutchouc naturel, NR), le cis-polybutadiène (caoutchouc butadiène, BR), le caoutchouc styrène-butadiène (SBR) et le monomère éthylène-propylène (EPM). Le SBR est un polymère mixte, ou copolymère, constitué de deux unités monomères différentes, le styrène et le butadiène, disposées de manière aléatoire le long de la chaîne moléculaire. (La structure du SBR est illustrée sur la figure.) L’EPM consiste également en une disposition aléatoire de deux monomères, dans ce cas, l’éthylène et le propylène. Dans le SBR et l’EPM, la disposition irrégulière des unités monomères le long de chaque molécule empêche le compactage et la cristallinité. Dans les polymères réguliers NR et BR, la cristallinité est empêchée par des températures de fusion cristalline plutôt basses d’environ 25 et 5 °C (environ 75 et 40 °F), respectivement. En outre, les températures de transition vitreuse de tous ces polymères sont assez basses, bien en dessous de la température ambiante, de sorte que tous sont mous, très flexibles et élastiques. Les principaux élastomères commerciaux sont énumérés dans le tableau, qui indique également certaines de leurs propriétés et applications importantes.

.