Chapitre 2 : Propriétés Plan du chapitre : Introduction Liaisons entre atomes et molécules Caractéristiques moléculaires Caractéristiques morphologiques Densité Version 1 - 13/10/2014

Introduction Les bases de données : www.matweb.com www.campusplastics.com Cambridge Engineering Selector Version 1 - 13/10/2014

Liaisons entre atomes et molécules Caractéristiques moléculaires Plan du chapitre : Introduction Liaisons entre atomes et molécules Caractéristiques moléculaires Caractéristiques morphologiques Densité Version 1 - 13/10/2014

Les liaisons primaires (1) La liaison ionique : Liaison de forte intensité. Les atomes perdent ou gagnent des e- afin d’avoir la dernière couche électronique complète (8 e-) Rappel Version 1 - 13/10/2014

Les liaisons primaires (2) La liaison ionique : © 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ Version 1 - 13/10/2014

Les liaisons primaires (3) La liaison covalente : Cette liaison permet aux atomes de mettre en commun des e- afin d’avoir leur couche électronique extérieure complète (8 e-) Rappel Version 1 - 13/10/2014

Les liaisons primaires (4) La liaison covalente : © 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ Version 1 - 13/10/2014

Les liaisons primaires (5) La liaison métallique : Mise en commun des e- de valence qui ne sont plus localisés entre les atomes mais qui sont répartis dans l’ensemble du réseau d’ions. Rappel Version 1 - 13/10/2014

Les liaisons primaires (6) La liaison métallique : © 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ Version 1 - 13/10/2014

Les liaisons primaires (7) La liaison métallique : © 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ Version 1 - 13/10/2014

Les liaisons secondaires (1) La liaison hydrogène : Ce sont des interactions de type électrostatique entre un atome hydrogène et un atome possédant un doublet électronique non liant. Il faut que l’atome d’hydrogène soit lié à un atome suffisamment électronégatif (O, N, halogène) Cette liaison joue un grand rôle dans le cas de l’eau. Version 1 - 13/10/2014

Les liaisons secondaires (2) Les liaisons de Van der Waals : Ce sont des interactions de type électrostatique entre deux dipôles. Ces dipôles peuvent être permanents (molécules polaires) ou temporaires (molécules apolaires) Version 1 - 13/10/2014

Les liaisons secondaires (3) Les liaisons de Van der Waals : Dans le PVC (polychlorure de vinyle), les atomes Cl sont chargés – et les atomes H +. Les chaînes sont faiblement liées par les liaisons de Van der Waals. Cela crée le PVC rigide. Si F est appliquée, les liaisons sont rompues et les chaînes glissent l’une sur l’autre. Version 1 - 13/10/2014

Les liaisons secondaires (4) Les liaisons de Van der Waals - exemples : Les bandes velcro. Adhésion des pattes des geckos. Les structures adhésives se composent de poils fins (env. 200 nm de diamètre) Les poils fins garantissent que le bout du doigt épouse de façon optimale les irrégularités de toute surface support Ce sont les forces dites de Van der Waals qui assurent l'adhérence; elles reposent sur des décalages de charge dans les atomes. Source: www.uni-saarland.de; photo : S. Gorb, Institut MPI de recherche sur les métaux, Stuttgart Version 1 - 13/10/2014

Les liaisons secondaires (5) Les liaisons de Van der Waals - exemples : Les geckos parviennent à adhérer contre pratiquement toutes les surfaces. Et pour supprimer à nouveau le contact, ils «déroulent» leurs doigts. Source: www.max-wissen.de/Fachwissen/show/0/Didaktik/Bionik.html Version 1 - 13/10/2014

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Caractéristiques moléculaires (1) Répétition d’une ou plusieurs unités de base (ici le monomère éthylène C2H4). Quelle est la longueur d’une chaîne ? Quelles sont les conséquences sur les propriétés ? ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Version 1 - 13/10/2014

Caractéristiques moléculaires (2) Version 1 - 13/10/2014

Caractéristiques moléculaires (3)   Version 1 - 13/10/2014

Caractéristiques moléculaires (4) Pour illustrer : exemple d’une population d’habitants Ville 1 : 700000 hab. Ville 2 : 12000 hab. Ville 3 : 10000 hab. Ville 4 : 1500 hab. La dispersité est importante. Calculer le nombre moyen d’habitants n’est pas représentatif: Mn = 180 875. Bof… On pondère chaque habitant du « poids » de sa ville. Hab. 1 va compter +++ que Hab. 4, par exemple Ville 1 : 700000/723500 = 0,9675 Ville 2 : 0,0166 Ville 3 : 0,0138 Ville 4 : 0,00207 Soit : Mw = 7000000,9675+120000,0166+10000 0,0138+1500 0,00207 Mw = 677 604 Traduction : L’ hab. moyen vit dans une ville de 677 604 hab. La molécule moyenne a une masse de 677 604 g.mol-1 I est toujours > = 1 Dans le cas précédent, I = 677 604 / 180 875 = 3,75 Très polydisperse Version 1 - 13/10/2014

Caractéristiques moléculaires (5) Polydispersité a un effet sur les performances d’un polymère lors de sa mise en œuvre. Polydispersité a un effet sur les propriétés macroscopiques d’un objet fait en polymère. Une polydispersité faible donnera : Moins de tensions internes Des propriétés plus homogènes Une réponse moins prononcée aux contraintes de cisaillement Une moins bonne cohésion de la masse fondue Une plus grande difficulté de mise en œuvre Version 1 - 13/10/2014

Caractéristiques moléculaires (6) Pour l’injection et la filature de fibres à grandes vitesses : des produits à distribution moléculaire plus étroite (exemples le PA et le PET) Pour l’extrusion : des produits à distribution moléculaire plus large (exemples le PEHD et le PVC). PET : Polytéréphtalate d'éthylène Version 1 - 13/10/2014

Caractéristiques moléculaires (7) La stéréorégularité : Isotactique Syndiotactique Atactique Elle est obtenue en fct de catalyseurs particuliers : organométalliques que l’on appelle des catalyseurs stéréospécifiques Version 1 - 13/10/2014

Caractéristiques moléculaires (8) Enchaînement des unités constitutives : Les homopolymères (-A-)n A-A-A-A-A-A-A-A Exemple : PVC …CH2-CHCl- CH2-CHCl- CH2-CHCl-… Les copolymères Copolymères statistiques (répartis statistiquement) -A-A-B-B-B-A-B-A-A-A-B-B- Copolymères alternés -A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B- Version 1 - 13/10/2014

Caractéristiques moléculaires (9) Les copolymères Copolymères séquencés linéaires ou à bloc -A-A-A-A-A-A-A-B-B-B-B Copolymères séquencés et greffés B-B-B-B-B  B -A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A B-B-B-B-B-B Version 1 - 13/10/2014

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Structures de base – ordre dans la matière Absence d’ordre – gaz parfaits Version 1 - 13/10/2014

Structures de base – ordre dans la matière (2) Ordre à courte distance Disposition relative des atomes entre eux ne s’étend qu’aux atomes les plus proches Purement moléculaire : N2 (souvent des gaz) Formation pont hydrogène Version 1 - 13/10/2014

Structures de base – ordre dans la matière (3) Ordre à longue distance Disposition des atomes en réseaux cristallins à travers tout le matériau (alliages métalliques) Version 1 - 13/10/2014

Structures de base – ordre dans la matière (3) 14 réseaux de Bravais (souvenez-vous : CFC, CC, HC…) Version 1 - 13/10/2014

Grains Matériaux solides s’organisent en grains (métaux et céramiques, par exemple). Le grain est la zone où l’arrangement moléculaire est identique. En fonction de la production, la taille et la forme des grains sera différente avec des conséquences pour les propriétés des matériaux. Version 1 - 13/10/2014

Grains (4) Version 1 - 13/10/2014

Phases Version 1 - 13/10/2014

Cas des polymères Molécules différentes entre elles. Mélange en proportions variables de zones amorphes et cristallines. Si T suffisamment élevée, les segments de molécules peuvent bouger entre elles : état caoutchouteux. Si T trop basse, les segments de molécules sont figées : on parle d’état vitreux. Version 1 - 13/10/2014

Structure morphologique Cas des polymères (2) Structure morphologique (T = 20 °C) Exemples Totalement amorphe caoutchouteux Caoutchouc, silicone Totalement amorphe vitreux PMMA, PS Cristallites en suspension dans une matrice caoutchouteuse PE, PP Cristallites en suspension dans une matrice vitreuse PA, PET Particules caoutchouteuses dans une matrice vitreuse ABS, PUR PMMA : Polyméthacrylate de méthyle (plexiglass), PA : polyamide (nylon), PET : Polytéréphtalate d'éthylène (bouteilles de limonades gazeuses), ABS : acrylonitrile butaliène styrène (lego), PUR : polyuréthane Version 1 - 13/10/2014

Cristallinité d’un polymère Des zones cristallines cohabitent avec des zones amorphes. Plus cristallin  plus dur et plus cassant. Version 1 - 13/10/2014

Cristallinité d’un polymère (2) domaines amorphes (Ma , Va , ra) Définition Propriété rc > ra   domaines cristallins (cristallites) (Mc , Vc , rc)   l’ensemble du polymère (M, V, r) Version 1 - 13/10/2014

Cristallinité d’un polymère (3) Forme cristalline PEHD 80 Orthorombique PP (isotactique) 65 Monoclinique PA 6 35 PA 6-6 70 Triclinique PET 50 PVC (atactique) 5 POM > 80 Rhomboédrique PTFE Version 1 - 13/10/2014

Cristallinité du PEHD (80%) Morphologie lamellaire Structure cristalline orthorhombique Version 1 - 13/10/2014

Fibrage des polymères (PET biorienté) Version 1 - 13/10/2014

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Densité Pour rappel, la densité correspond au rapport entre la masse volumique d’un matériau à la masse volumique de l’eau.   Version 1 - 13/10/2014

Densité des métaux La densité est souvent élevée pour les métaux car ils possèdent un grand nombre d’e-. Elle est aussi élevée car les atomes s’empilent de façon compacte. Al Ti Fe Cu Pb Hg Au Pt 2.69 4.51 7.87 8.96 11.34 13.6 19.45 21.45 Version 1 - 13/10/2014

Densité des céramiques Influencée par la méthode de fabrication. Version 1 - 13/10/2014

Densité des polymères Influencée par la nature du polymère et le taux de cristallinité. Polymère Densité EPS 0,02 – 0,06 PP 0,905 PEBD 0,91 – 0,925 PEHD 0,965 PS 1,05 PET 1,30 – 1,34 PVC rigide 1,38 PVC plastifié 1,3 – 1,7 EPS : polystyrène expansé, PET : polytérephtalate d’éthylène Version 1 - 13/10/2014