QUESTION N O 1 (6 points) Un morceau de polyéthylène téréphthalate (PET) dont le taux de cristallinité X = 0.6 (à 25 o C) a une densité ρ = 1.12 g/cm 3. La température de transition vitreuse de ce polymère T g = 60 o C et sa température de fusion T f = 260 o C. De plus, on sait que, à 25 o C, la densité de la fraction cristalline (X = 1) est 1.2 fois plus élevée que celle de la fraction amorphe. a) Lorsqu on chauffe le polymère à une température de 300 o C, on observe qu il est devenu transparent. En le refroidissant très rapidement vers 25 o C, il reste transparent. Quelle est sa densité à 25 o C après ce traitement (chauffage à 300 o C, suivi du refroidissement rapide)? b) Nous voulons augmenter le taux de cristallinité du polymère ayant subi le traitement thermique décrit en a). À quelle température il faudrait le porter pour que la vitesse de cristallisation soit la plus élevée? Choisir entre -40 o C, 25 o C, 60 o C, 160 o C, 260 o C, 300 o C. Réponses : a) b) page 1 de 14
QUESTION N O 2 (12 points) Répondre par Vrai (V) ou Faux (F). Une bonne réponse vaut 1 point, une mauvaise -0.5 point, aucune réponse vaut 0 point. Au cas où le total des points serait négatif, le résultat pour cette question sera 0 (zéro). a) Le polystyrène et le polycarbonate (deux polymères transparents) sont rigides à la température ambiante. Ceci est dû au fait que leur température de transition vitreuse (T g ) est bien au-dessus de la température ambiante. b) Un polystyrène isotactique cristallisera plus lentement qu un polystyrène atactique. c) Dans un polymère, on retrouve habituellement les chaînes de longueur différente. d) La densité des fibres de carbone est plus élevée que celle des fibres de verre. e) Dans un test de relaxation de contraintes, le module de relaxation de 1 heure sera plus élevée que celui mesuré à 1 seconde. f) La viscosité d un plastique fondu diminue avec l augmentation de la masse moléculaire. g) Le polyéthylène linéaire de basse densité sera plus rigide que le polyéthylène de haute densité. h) Un polyéthylène dont les chaînes sont ramifiées aura une densité plus élevée que le polyéthylène à chaînes linéaires. i) Le polymère amorphe «A» possède une T g de -20 o C alors que le polymère amorphe «B» a une T g de 115 o C. Si ces deux polymères sont soumis à une même contrainte constante dans un test effectué à 25 o C, le polymère «A» montrera une déformation plus grande. j) En ajoutant un adjuvant approprié, il est possible de diminuer la température de transition vitreuse d un plastique. k) Un copolymère séquencé (par exemple styrène-butadiène-styrène qui est un élastomère thermoplastique) a une température de transition vitreuse. l) Un copolymère statistique (par exemple styrène-butadiène qui est un élastomère thermodurcissable) a deux températures de transition vitreuse. page 2 de 14
QUESTION N O 3 (6 points) Un lavabo en marbre synthétique a été préparé en mélangeant 4 kg de verre (ρ = 2.55 g/cm 3 ), 5 kg de carbonate de calcium (ρ = 2.75 g/cm 3 ) et 11 kg de résine polyester (ρ = 1.15 g/cm 3 ). Calculez la densité du composite ainsi que les fractions volumiques des ingrédients. page 3 de 14
QUESTION N O 3 (suite) Réponses : densité fractions volumiques : verre carbonate résine page 4 de 14
QUESTION N O 4 (8 points) Un composite unidirectionnel polypropylène-verre a une densité de 1.6 g/cm 3. Calculez le module E CL du composite et la contrainte dans le verre et dans le polypropylène lorsqu on applique une contrainte de 50 MPa au composite (dans la direction des fibres). ρ (g/cm 3 ) E (GPa) PP 0.91 1.8 Verre 2.55 75 page 5 de 14
QUESTION N O 4 (suite) Réponses : E CL contrainte : verre PP page 6 de 14
QUESTION N O 5 (6 points) Un nylon dont le taux de cristallinité X = 0.33 a une densité de 1.11 g/cm 3. Quelle serait la densité du nylon cristallin à 100 % sachant que la densité du nylon amorphe est égale à 1.07 g/cm 3? Réponse : page 7 de 14
QUESTION N O 6 (5 points) Le tableau suivant indique les températures de fusion, T f, de transision vitreuse, T g, ainsi que le taux de cristallité d un certain nombre de polymères à masse moléculaire extrêmement élevée (chaînes très longues). T f ( o C) T g ( o C) X E (Pa) 170 0 0.8 260 60 0.9 220 95 0 0-80 0-80 -120 0 Estimez la valeur du module de relaxation de chacun de ces polymères (choisir entre 10 0, 10 1, 10 2, 10 3, 10 4, 10 5, 10 6, 10 7, 10 8, 10 9, 10 10, 10 11 Pa ; 1 GPa = 10 9 Pa) à 25 o C. page 8 de 14
QUESTION N O 7 (8 points) La dégradation de nombreux polymères (thermique, par oxydation, par rayonnement UV) se traduit par des coupures de chaînes et résulte en une réduction de la masse moléculaire. Considérons le cas (idéalisé pour simplifier le calcul) du polyéthylène dont la masse moléculaire est de 140 000 g/mole. Ce polymère est constitué de chaînes linéaires, de longueurs identiques. Le polymère a subi une dégradation qui a causé la coupure d un tiers de chaînes. On suppose qu il n y a qu une coupure par chaîne originale et que chaque chaîne coupée l a été en fragments de longueurs égales. Calculez les masses moléculaires moyennes en nombre et en masse (poids) après la dégradation (le schéma suivant illustre le processus. M i N i M n= M w = N i M M 2 i i N N i page 9 de 14
QUESTION N O 7 (suite) Réponses : nombre poids page 10 de 14
QUESTION N O 8 (4 points) Choisissez, pour chacun des polymères, la valeur la plus raisonnable du module d élasticité. Module (GPa) Polyéthylène ramifié (10 ramifications/chaîne) 0.001 0.2 0.5 2 Polyéthylène linéaire 0.001 0.2 0.5 2 Copolymère statistique (50 % éthylène / 50 % propylène) 0.001 0.2 0.5 2 Polyéthylène ramifié (5 ramifications/chaîne) 0.001 0.2 0.5 2 Encerclez les valeurs choisies. page 11 de 14
QUESTION N O 9 (11 points) Un polymère a une température de transition vitreuse de 50 o C. Sa température de fusion est de 200 o C. Il cristallise avec certaines difficultés. Nous avons deux échantillons de ce polymère : A - polymère linéaire de très haute masse moléculaire (300 000 atomes de carbone/chaîne); B - polymère linéaire (5000 atomes de carbone/chaîne). Répondre Vrai ou Faux aux affirmations suivantes (1 point pour chaque bonne réponse, -0.5 point pour chaque mauvaise réponse). a) Le module de relaxation du polymère A déterminé à 5 secondes [ ( 5s) ] élevé que le module de relaxation du polymère A à 2 secondes [ ( 2s) ] E r sera plus E r. b) À taux de cristallinité égaux, le polymère A sera plus tenace. c) À l état amorphe, le polymère B est transparent. d) À 20 o C, le module du polymère B sera de l ordre de quelques GPa. e) L incorporation d une petite quantité d un agent de germination améliorera la biodégradabilité du polymère B. f) Après un refroidissement, à la même vitesse, à partir de l état fondu, la densité du polymère A sera plus élevée que celle du polymère B. g) À 210 o C, le module de relaxation E r ( 5s) du polymère A sera plus bas que celui du polymère B. h) L incorporation des charges telles que le carbonate de calcium conduira à l augmentation de la température de transition vitreuse du polymère B. i) Sachant que la densité du polymère amorphe est de 0.9 g/cm 3 et celle du polymère cristallin à 100 % est de 1.14 g/cm 3, la densité d un polymère dont le taux de cristallinité est de 70 % se situera entre 1.065 et 1.075 g/cm 3. j) Sachant que la densité du polymère amorphe est de 0.9 g/cm 3 et celle du polymère cristallin à 100 % est de 1.14 g/cm 3, la densité d un polymère cristallin à 70 % se situera entre 1.075 et 1.085 g/cm 3. k) L orientation biaxiale du polymère augmentera la perméabilité à l oxygène d une feuille en polymère A (à épaisseur égale). page 12 de 14
QUESTION N O 10 (10 points) Soit plusieurs polymères de masse moléculaire élevée, caractérisés par leurs températures de fusion T f et de transition vitreuse T g, leurs densités de phases cristalline ρ c et amorphe ρ a. Ces polymères ont été moulés en petites tiges cylindriques. Après le moulage, on a déterminé la densité des tiges ρ (à la température ambiante). T g ( o C) T f ( o C) ρ a (g/cm 3 ) ρ c (g/cm 3 ) ρ (g/cm 3 ) A 175 320 1.05 1.25 1.20 B -120-60 1.00 1.20 1.05 C -18 170 0.85 0.95 0.85 D -18 170 0.85 0.95 0.92 E 50 250 1.05 1.25 1.20 F 175 265 1.05 1.25 1.20 G -120-80 1.10 1.10 1.30 H -120 140 0.85 1.00 0.92 I 100 80 0.90 1.00 0.95 J 80 180 1.10 1.20 1.10 K -120 140 0.85 1.00 0.95 L 175 300 1.05 1.25 1.05 a) Éliminer d abord de cette liste les polymères qui ne peuvent pas exister (la combinaison des caractéristiques telles que données est contradictoire). b) On cherche un matériau ayant, à la température ambiante, un module d élasticité d au moins 250 MPa pouvant faire partie du mécanisme suivant (dessin à gauche) : On veut de plus que le ressort se rétracte (c est-à-dire que le module du polymère constituant la tige diminue brusquement) entre 150 et 200 o C inclusivement (lorsque l on chauffe le mécanisme à partir de la température ambiante). Identifier les polymères qui pourraient être utilisés (dessin à droite). page 13 de 14
QUESTION N O 10 (suite) c) Lequel parmi ces polymères pourrait être le polypropylène isotactique? d) Lequel parmi ces polymères pourrait être du polyéthylène de basse densité (LDPE)? e) Lequel parmi ces polymères pourrait être du polyéthylène de haute densité (HDPE)? f) Lequel parmi ces polymères pourrait être du polypropylène atactique? g) Lesquels parmi ces polymères seraient transparents à 20 o C? h) Lesquels parmi ces polymères seraient transparents à 150 o C? Réponses : a) Polymères éliminés : b) Polymères utilisables : c) Polypropylène isotactique : d) LDPE : e) HDPE : f) Polypropylène atactique : g) Transparents à 20 o C : h) Transparents à 150 o C : page 14 de 14