MICROSTRUCTURE DES POLYMERES

Dimension: px

Commencer à balayer dès la page:

Download "MICROSTRUCTURE DES POLYMERES"

Lucile Chabot
il y a 6 ans
Total affichages :

1 Cours Matériaux 2008 MICROSTRUCTURE DES POLYMERES Jean-Marc HAUDIN CEMEF

2 1. INTRODUCTION PLAN 2. STRUCTURE CONFORMATIONNELLE DE LA CHAINE ISOLEE 3. ETAT AMORPHE 4. ETAT CRISTALLIN 5. MORPHOLOGIES CRISTALLINES 6. CONCLUSIONS

3 1. INTRODUCTION LE CONCEPT DE STRUCTURE DANS LES POLYMERES - Structure moléculaire: héritée de la synthèse - Structure conformationnelle: organisation spatiale de la macromolécule - Etats amorphe et cristallin: absence d ordre à grande distance ou organisation périodique - Structure morphologique ou morphologie(s): cristaux et arrangements cristaux - phase amorphe

4 2. STRUCTURE CONFORMATIONNELLE NOTION DE CONFORMATION - Organisation spatiale de la molécule - Structure conformationnelle locale: orientation relative des segments de chaîne et des groupes latéraux - Structure conformationnelle globale: disposition relative des atomes de carbone (ou d azote, d oxygène, etc ) constituant l ossature de la chaîne

5 LES CONFORMERES ANTI ET GAUCHE C Chaîne b i-1 b i+1 C b i Chaîne C C θ φ i Ε E g E t chaîne chaîne H chaîne R H chaîne H chaîne R E H H H H φ gauche - anti gauche - anti gauche + a) b) chaîne H H R gauche +

6 LA PELOTE STATISTIQUE Ensemble des arrangements spatiaux lorsque l on laisse jouer les rotations autour des segments de chaîne Taille de la pelote 1/ 2 N 2 r - r avec = b r (vecteur bout à bout) i= 1 i 1/ s avec s N si N 1 = 1 =

7 LA PELOTE STATISTIQUE Chaîne à articulations libres r Chaîne réelle = Nb r = C Nb N 1 1 s = r = C Nb N 2 2 2

8 LE ZIGZAG PLANAIRE ET L HELICE zigzag: PE Hélice 3/1: PP

9 3. L ETAT AMORPHE MACROMOLECULES MONODIMENSIONNELLES Etat dense : les macromolécules sont imbriquées Haute température (équilibre thermodynamique) : Conformation en pelote statistique avec les dimensions de la chaîne isolée (Etonnant!!) Si l on refroidit, on va «figer» l état structural de haute température TRANSITION VITREUSE (Tg)

10 LE POLYMERE AMORPHE EN MOUVEMENT T << Tg : état vitreux élasticité enthalpique T > Tg : changements de conformation «hiérarchiquement corrélés» mobilité moléculaire + enchevêtrements gênes topologiques état caoutchoutique : les enchevêtrements forment un réseau temporaire élasticité entropique zone d écoulement : les enchevêtrements sont moins persistants fluide viscoélastique mise en forme

11 POLYMERES RETICULES (RESEAU PERMANENT) Deux états: - état vitreux - état caoutchoutique

12 MODULE D ELASTICITE D UN POLYMERE AMORPHE Macromolécule 1D Polymère réticulé en fonction de la masse entre nœuds

13 4. L ETAT CRISTALLIN Mise en évidence: la diffraction des rayons X

14 DIFFRACTOMETRIE A COMPTEUR

15 DIFFRACTOGRAMME D UN PE Concept de polymère semi-cristallin

16 POLYMERES AMORPHES : PS, thermodurcissables POLYMERES CRISTALLISABLES : - cellulose, protéines fibreuses - PE, PP, PA66, PET,... CONDITIONS DE CRISTALLISATION - régularité de la structure moléculaire (configuration) et conformationnelle (zig-zag, hélice) - défauts défavorables : enchaînements, ramifications, copolymérisation + condition cinétique (ex: PET)

17 STRUCTURE CRISTALLINE DU PE Aspect cristallographique: maille orthorhombique (a=0,74nm; b=0,493nm; c=0,2534nm) et motif (1 à l origine et 1 CH -CH au centre) 2 2 CH -CH 2 2 Aspect physico-chimique : assemblage de chaînes à conformation régulière (zig-zag)

18 ANISOTROPIE DES CRISTAUX Propriétés mécaniques: modules d élasticité dans la direction des chaînes: 240 GPa perpendiculairement aux chaînes: 3 GPa Propriétés optiques: indices de réfraction n a = 1,514; n b = 1,519; n c = 1,575

19 TAUX DE CRISTALLINITE Les polymères ne sont jamais totalement cristallins Taux de cristallinité M, V c M, V c x c M c c = vc = M en masse en volume masse et volume de cristal masse et volume de l échantillon V V TD 12

20 TAUX DE CRISTALLINITE (RX) I I I c a a = = = px q c q(1 q p x I c c ) x c = 1+ 1 p q I I a c

21 5. MORPHOLOGIES CRISTALLINES - Les cristaux - Les arrangements de cristaux et de phase amorphe : le sphérolite

22 LES CRISTAUX - polymères naturels: microfibrilles (diamètre de quelques nm à quelques dizaines de nm) - polymères synthétiques : lamelles (épaisseur de l ordre de 10 nm)

23 LA LAMELLE CRISTALLINE A partir de solutions très diluées: le monocristal

24 LA LAMELLE CRISTALLINE LE MONOCRISTAL DE PE Forme du cristal et orientation de la maille Repliement des chaînes

25 LA LAMELLE CRISTALLINE A PARTIR DE L ETAT FONDU L l c l a L l c l a MODELE A DEUX PHASES

26 LE SPHEROLITE REPRESENTATION SCHEMATIQUE CROIX DE MALTE

28 SPHEROLITE DE PE

29 SPHEROLITE DE PP

30 6. CONCLUSIONS - régularité de la chaîne - cristallinité partielle - cristaux lamellaires - sphérolite

31 LES ORDRES DE GRANDEUR Ordre de grandeur 0,1 nm Etat cristallin 1 liaison dans la chaîne macromoléculaire Etat amorphe 1 liaison dans la chaîne macromoléculaire 0,1-1 à 2 nm maille cristalline - 10 nm épaisseur de la lamelle cristalline rayon des pelotes statistiques 1 µm 1 mm arrangements de cristaux (sphérolites) -

32 Module d Young vs. taux de cristallinité

33 Limite élastique vs. épaisseur des lamelles

Documents pareils

Les composites thermoplastiques

Les composites thermoplastiques Définition Par définition, un thermoplastique (anglais :thermoplast) est un matériau à base de polymère (composé de macromolécules) qui peut être mis en forme, à l état