La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

GCI 116 - Matériaux de lingénieur Des Matériaux ch.12 et sections 3.3.4, 4.2.6, 6.2, 8.5 Partie 5 Les différents types de matériaux Plan 5.2 Les polymères.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "GCI 116 - Matériaux de lingénieur Des Matériaux ch.12 et sections 3.3.4, 4.2.6, 6.2, 8.5 Partie 5 Les différents types de matériaux Plan 5.2 Les polymères."— Transcription de la présentation:

1 GCI 116 - Matériaux de lingénieur Des Matériaux ch.12 et sections 3.3.4, 4.2.6, 6.2, 8.5 Partie 5 Les différents types de matériaux Plan 5.2 Les polymères (Introduction et rappels) 5.2.1 Formation des polymères A - Unités fondamentales B - Polymérisation C - Degré de polymérisation D - Structure des polymères E - Types de polymères 5.2.2 Propriétés des polymères A - Propriétés physiques B - Propriétés mécaniques 5.2.3 Modification des propriétés des polymères A - Bonification B - Dégradation

2 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères Introduction * Généralités classe de matériaux très récente * créés il y a une centaine dannées * grande expansion à partir des années 60-70 * production actuelle de plus de 100 millions de tonnes par an * utilisation dans presque tous les domaines liés à la vie courante et à lingénierie ère des matières plastiques * Types de polymères - produits de synthèse (macromolécules) - classe de polymères * thermoplastiques * thermodurcissables * élastomères

3 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères Rappels * Généralités - chaînes datomes (liaisons covalentes) reliées entre elles par des liaisons faibles (Van der Waals dipôle électrique) - limite du modèle électrostatique * le module délasticité des polymères nest pas relié directement à lénergie de cohésion du matériau * il résulte plutôt des interactions secondaires entre les macromolécules de chacune des chaînes faible rigidité rappel : liaisons Van der Waals liaisons VdW entre des chaînes de polyamide 6-6 (nylon)

4 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères * Généralités - propriétés mécaniques * courbes de traction * rigidité : faible * ductilité : lorsquelle existe, elle nest pas causée par le déplacement des dislocations * transition ductile/fragile sur de faibles écarts de température * fluage et relaxation aux températures normales dutilisation - autres propriétés * isolants thermiques et électriques * non miscibles à létat solide Rappels élastomères thermoplastiques déploiement de la chaîne

5 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2.1 Formation des polymères * Polymères - macromolécules organiques formées par la répétition dunités élémentaires appelés monomères * Monomères - exemples * polyéthylène : le monomère est C 2 H 4 (éthylène) (bottes de ski, bacs de manutention) A - Unités fondamentales - le carbone a 4 é- de valence - à létat monomère, les atomes de C établissent une double liaison entre eux - la polymérisation consistera à ouvrir la liaison double pour former une chaîne de monomères monomère ouvert (disparition de la double liaison) 5.2 Les polymères

6 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères * Monomères - exemples(suite) * polystyrène (styrène) A - Unités fondamentales * polychlorure de vinyle (chlorure de vinyle) PVC groupement phényl C 6 H 5 - quantité de monomères - entre 10 3 et 10 6 - la longueur de la chaîne peut atteindre 10 m

7 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères * Polymérisation par addition - réaction de monomères entre eux pour former une chaîne de polymère * ex.: polyéthylène B - Polymérisation - deux conditions sont nécessaires * ouvrir la double liaison C=C fournir une énergie dactivation * démarrer et terminer la chaîne

8 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères * Polymérisation par addition (suite) - rôle des initiateurs : réactifs chimiques ajoutés aux monomères * permettent douvrir la double liaison * radicaux qui se placent en tête ou en fin de chaîne B - Polymérisation + H 2 O 2 + Cl 2

9 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères * Polymérisation par addition (suite) - représentation de la structure du polyéthylène (a) modèle solide tridimensionnel (b) modèle «espace» tridimensionnel (c) modèle simple bidimensionnel B - Polymérisation

10 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères * Polymérisation par addition (suite) - cinétique de la polymérisation par addition B - Polymérisation - remarques * la réaction nengendre aucun sous-produit * les masses moléculaires des chaînes sont différentes (chaînes de différentes longueurs) * les vitesses de réaction sont rapides * copolymérisation : lorsque les monomères qui se lient entre eux ne sont pas de même nature (Des matériaux, figure 12.5) Vidéo 6.32a

11 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères * Polymérisation par condensation - réaction de deux produits différents pour en former un troisième, accompagnée dun sous-produit - exemple : formation de la bakélite B - Polymérisation sous produit Formaldéhyde + 2 Phénols Bakélite + H 2 O Vidéo 6.32g

12 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères * Généralités - la polymérisation est un processus aléatoire les chaînes nont pas la même longueur - obtention de macromolécules ayant des masses moléculaires différentes C - Degré de polymérisation * Degré de polymérisation - masse moléculaire moyenne en nombre où n i est la fraction molaire de macromolécules (nombre de molécules) qui ont une masse molaire M i

13 GCI 116 - Matériaux de lingénieur où w i est la fraction de macromolécules (en masse) qui ont une masse molaire M i où M O est la masse moléculaire du monomère 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères * Degré de polymérisation (suite) - masse moléculaire moyenne en poids C - Degré de polymérisation - indice dhétérogénéité mesure de la dispersion des masses moléculaires - degré moyen de polymérisation nombre moyen de monomères présents dans les macromolécules H=1 si toutes les macromolécules ont la même masse (même nombre de monomères)

14 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères * Degré de polymérisation (suite) - exemple numérique : calcul de masse moléculaire C - Degré de polymérisation Un échantillon de polychlorure de vinyle a été analysé par une méthode chromatographique. Les résultats suivants ont été obtenus : Donnée utile : Poids moléculaire du polychlorure de vinyle Pm = 2*12 + 3*1 + 1*35,5 = 62,5 g/mole (a) Calcul de la masse moléculaire moy. numérique Il faut calculer le nombre de molécules (n i ) dans chacune des classes, soit Prenons comme base 1 gramme de polymère :

15 GCI 116 - Matériaux de lingénieur (b) Calcul de la masse moléculaire moy. pondérale (c) indice dhétérogénéité (d) degré de polymérisation (d) représentation graphique en masseen nombre 5.2 Les polymères * Degré de polymérisation (suite) - exemple numérique : calcul de masse moléculaire

16 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères * Les chaînes de polymères - linéaires * liaisons de VdW entre les chaînes * les chaînes sont enchevêtrées - ramifiées * branchements sur une chaîne linéaire * liaisons de VdW entre les chaînes * augmentation de lencombrement - réticulées * réseau tridimensionnel de chaînes liées chimiquement entre elles * les le pontage entre les chaînes se fait avec des liaisons solides (covalentes) D - Structure des polymères

17 GCI 116 - Matériaux de lingénieur chaîne linéaire chaînes ramifiées chaînes réticulées 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères * Les chaînes de polymères - exemple : les polyéthylènes D - Structure des polymères Représentation 3D de la chaîne moléculaire du polyéthylène Langle entre la liaison C-C est de 109,5° les chaînes ne sont donc pas rectilignes = 109,5° C : atomes de carbone

18 GCI 116 - Matériaux de lingénieur * Architecture atomique des polymères - disposition des chaînes moléculaires * au hasard, sans ordre particulier polymère amorphe * en ordre, de façon alignée polymère ayant une certaine cristallinité - cristallisation * rarement complète (à cause de lencombrement) * favorisée si - symétrie, structure simple - régularité des chaînes - absence de ramifications et de réticulations 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères D - Structure des polymères

19 GCI 116 - Matériaux de lingénieur * Architecture atomique des polymères - représentation schématique de la cristallisation des polymères * zones cristallisées :les chaînes se replient sur elles-mêmes * zones amorphes :au cours du refroidissement, les chaînes nont pas le temps de sagencer de façon régulière 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères D - Structure des polymères

20 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères * Thermoplastiques - particularités structurales * taille des molécules limitée * structure linéaire ou ramifiée * amorphes ou semi-cristallins - principales propriétés * matériaux généra- lement ductiles * recyclables * fusibles à haute température E - Types de polymères élévation de température - passent à létat fondu - peuvent être mis en forme par coulage - processus réversible qui peut être répété un grand nombre de fois cohésion du matériau assuré par - liaisons de VdW - enchevêtrement des chaînes

21 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères E - Types de polymères * Thermodurcissables - particularités structurales * structures réticulées, formant un réseau 3D* des liaisons covalentes assurent les pontages entre les chaînes - principales propriétés * résistances mécaniques et thermiques plus élevées que celles de la classe des thermoplastiques* souvent fragiles* infusibles (donc non recyclables) - à cause de la structure 3D- rigide jusquà la température de décomposition conséquences sur la mise en œuvre - lente et difficile - doit être effectuée avant lintroduction des liaisons pontales

22 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères * Élastomères - particularités structurales * polymères linéaires ayant de grandes masses moléculaires (100 000 à 500 000 g/mol) * structure intermédiaire entre les thermoplastiques et les thermodurcissables introduction entre les chaînes dune certaine quantité de liaisons pontales (covalentes) 10 à 100 fois moins que les thermodurcissables E - Types de polymères Nombre de liaisons pontales caoutchouc naturel pneus élastiques 1 liaison pontale pour 100 motifs 0 liquide visqueuxsolide déformable solide très déformable augmentation de la rigidité

23 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères * Élastomères - principales propriétés * grande déformabilité (6 à 7 fois leur taille init.) * réversibilité des déformations (assurée par les liaisons pontales) E - Types de polymères élastomère sans liaison pontale - lapplication dune charge entraîne lapparition de déformations élastiques et plastiques - après déchargement, le matériau garde une déformation permanente élastomère avec liaisons pontales - lors du chargement, apparition de grandes déformations élastiques - après déchargement, le matériau retrouve son aspect original

24 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.1 Formation des polymères E - Types de polymères * Résumé

25 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.2 Propriétés des polymères * Masse volumique - peu élevée p/r aux autres types de matériaux * la légèreté est une des qualités ayant le plus contribué à la diffusion des polymères * cause : faible poids atomique des atomes constituant les chaînes (H et C) 0,9 à 2,2 g/cm 3 * ex.: la résistance spécifiqueR m / A - Propriétés physiques

26 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.2 Propriétés des polymères * Propriétés thermiques - coefficient de dilatation linéique élevé * attention au couplage métal/polymère * voir Des Matériaux, tableau 12.5 - conductivité thermique faible * utilisation comme isolants (mousses) * Propriétés électriques - faible conductivité : isolants électriques * Propriétés optiques - à létat amorphe, les polymères transmettent bien la lumière - ex.: * polyacryliques - transmission lumineuse > 90% - utilisation pour les vitrages * polycarbonates - transmission lumineuse 88% - utilisation pour les lentilles, les systèmes optiques des autos, etc. A - Propriétés physiques

27 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.2 Propriétés des polymères * Déformations des polymères - mécanismes de déformation * variation des angles entre les atomes de carbone dans les liaisons covalentes C-C * déploiement des chaînes qui sont enchevêtrées et repliées sur elles-mêmes B - Propriétés mécaniques La souplesse des chaînes est fonction de lencombrement des groupes latéraux (donc des monomères) Vidéo 6.32c Vidéo 4.29

28 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.2 Propriétés des polymères * Déformations des polymères - cas des thermoplastiques * ex.: nylon B - Propriétés mécaniques 2 1 3 4 2 1 3 4 - cas des élastomères * ex.: caoutchouc déformation nominale contrainte nominale 0600 % 6 MPa déploiement des chaînes variation des angles dans les liaisons

29 GCI 116 - Matériaux de lingénieur vitreux caoutchoutique visqueux température de transition vitreuse début de comportement caoutchoutique température de fusion 5.2 Les polymères 5.2.2 Propriétés des polymères * Rigidité des polymères - Rigidité des thermoplastiques * varie beaucoup avec la température B - Propriétés mécaniques zone 1 :- état vitreux - polymère dans un état dur et fragile zone 2 :- augmentation de la souplesse - comportement caoutchoutique zone 3 :- effondrement de la rigidité - comportement de liquide visqueux

30 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.2 Propriétés des polymères * Rigidité des polymères - Rigidité des thermodurcissables * rigidité importante * conservée jusquà leur dégradation - Rigidité des élastomères * habituellement très faible * augmente avec la déformation (alignement des chaînes) * augmentation avec le nombre de liaisons pontales * existence dune température de transition vitreuse (transition ductile-fragile) B - Propriétés mécaniques

31 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.2 Propriétés des polymères Autres propriétés - Résistance à la traction * la résistance à la traction dun polymère à chaînes linéaires est fonction de sa masse moléculaire moyenne (longueur des chaînes) * ex.: caoutchouc synthétique butyle B - Propriétés mécaniques - Transition ductile/fragile * domaine de température dutilisation restreint * variations importantes des comportements mécaniques avec la température variations du comportement mécanique - ductilité-fragilité - résistance à la traction - ténacité

32 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.3 Modification des propriétés * Introduction - la rigidité et la résistance à la traction sont les principales propriétés à modifier * elles sont fonction de la température et de larrangement des chaînes - méthodes de modification * varier la composition et/ou de la structuration * Modification des propriétés - cristallinité * augmentation de la rigidité et de R m en fonction du degré de cristallinité A - Bonification

33 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.3 Modification des propriétés * Modification des propriétés - réticulation * formation dun réseau 3D en pontant les chaînes * ex.: le caoutchouc - à létat naturel liquide visqueux - le pontage (liaisons fortes) permet daugmenter la rigidité vulcanisation (atomes de soufre) A - Bonification plus de soufre plus de rigidité plus de liaisons pontales

34 GCI 116 - Matériaux de lingénieur processus de réticulation - ouverture de la double liaison C=C de la chaîne - obtention dune liaison covalente intense entre les deux chaînes linéaires, par lintermédiaire du soufre 5.2 Les polymères 5.2.3 Modification des propriétés * Modification des propriétés - réticulation (suite) * vulcanisation A - Bonification 2 chaînes séparées réticulation par le soufre Video 6.32f

35 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.3 Modification des propriétés * Modification des propriétés - copolymérisation et mélanges * formation «dalliages» * ex.: dispersion fine de chacun des constituants plastiques ABS utilisé dans lindustrie automobile (mélange de 3 polymères) - utilisation dadditifs * colorants, pour changer la couleur du matériau * stabilisants, pour retarder la dégradation (ex.: noir de carbone) * plastifiants, pour améliorer la souplesse (ex.: PVC) A - Bonification

36 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.3 Modification des propriétés * Vieillissement physique - action des solvants * ex.: leau qui pénètre entre les chaînes du polymère entraîne un gonflement craquelures ou fissures B - Dégradation * Vieillissement et dégradation chimique - oxydation * fixation de lO 2 baisse des propriétés mécaniques - dégradation thermique * rupture des chaînes * dépolymérisation * réactions * combustion - photodégradation * voir page suivante

37 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.3 Modification des propriétés B - Dégradation * Exemple : photodégradation du caoutchouc - effet néfaste des rayonnements ultraviolets (UV) - mécanisme de dégradation * ouverture de la double liaison C=C de la chaîne du caoutchouc, due à laction des photons ultraviolets (source dénergie) * réticulation entre les chaînes par les atomes doxygène

38 GCI 116 - Matériaux de lingénieur 5.2 Les polymères 5.2.3 Modification des propriétés B - Dégradation * Exemple : photodégradation du caoutchouc - conséquences de la réticulation * augmentation du nombre de pontages rigidification et fragilisation du matériau * pratiquement, -les élastiques deviennent cassants lorsquils sont exposés à la lumière - il y a apparition de craquelures dans les pneus (automobiles, vélos) avec le temps - lutte contre la photodégradation * ajout de stabilisants UV -pigments qui forment écran à la pénétration des radiations (ex.: noir de carbone) - absorbeurs dUV


Télécharger ppt "GCI 116 - Matériaux de lingénieur Des Matériaux ch.12 et sections 3.3.4, 4.2.6, 6.2, 8.5 Partie 5 Les différents types de matériaux Plan 5.2 Les polymères."

Présentations similaires


Annonces Google