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{{Article connexe|Transition vitreuse}}
{{Article connexe|Transition vitreuse}}
[[Fichier:Vulcanized polybutadiene-DMA.png|thumb|Au passage de la T<sub>v</sub>, le [[module de Young]] des [[élastomère]]s varie considérablement]]
[[Fichier:Vulcanized polybutadiene-DMA.png|vignette|Au passage de la ''T''{{ind|v}}, le [[module de Young]] des [[élastomère]]s varie considérablement.]]
En termes de propriétés physiques, la '''température de transition vitreuse''' (T<sub>v</sub>, anglais : T<sub>g</sub> pour ''glass'') d'une matière est souvent décrite comme représentant l'intervalle de température à travers lequel la matière passe d'un état caoutchouteux à un état vitreux, solide (rigide).
En termes de propriétés physiques, la '''température de transition vitreuse''' (''T''{{ind|v}}, en anglais : ''T''{{ind|g}} pour ''{{Langue|en|texte=glass}}'') d'une matière est souvent décrite comme représentant l'intervalle de température à travers lequel la matière passe d'un état caoutchouteux à un état vitreux, solide (rigide).


La température de transition vitreuse reste l'un des principaux mystères de la [[science des matériaux]]. C'est un paramètre difficile à cerner. Aucune théorie (dont celle fondée sur le volume libre, sur la thermodynamique, sur la cinétique, ou plus récemment sur des statistiques complexes, sur un modèle de paysage d'énergie) ne parvient à expliquer entièrement le phénomène macroscopique qui se produit au voisinage de T<sub>v</sub>. La température de transition vitreuse dépend de nombreux facteurs, dont la structure moléculaire ; sa mesure exacte n'est pas aisée.
La température de transition vitreuse reste l'un des principaux mystères de la [[science des matériaux]]. C'est un paramètre difficile à cerner. Aucune théorie (dont celle fondée sur le volume libre, sur la thermodynamique, sur la cinétique, ou plus récemment sur des statistiques complexes, sur un modèle de paysage d'énergie) ne parvient à expliquer entièrement le phénomène macroscopique qui se produit au voisinage de ''T''{{ind|v}}. La température de transition vitreuse dépend de nombreux facteurs, dont la structure moléculaire ; sa mesure exacte n'est pas aisée.


{{début citation}}Les phénomènes physiques qui interviennent dans la transition vitreuse restent l'un des plus fascinants mystères en science des matériaux et en [[physique de la matière condensée]].{{fin citation|Salvatore Torquato<ref>Salvatore Torquato, professeur de chimie à l'[[université de Princeton]], est {{fr}} « un des grands noms en la matière », d'après MSc Martina Levin, ''Une propriété mystérieuse au service de nouveaux plastifiants'', [[Nynas]] Naphthenics, Naphthenics Magazine (1 - 2008). Source Internet correspondante où se trouve la citation {{en}} « ''The underlying physics of glass transition remains one of the most fascinating open questions in material science and condensed-matter physics.'' » : Martina Levin, [http://www.nynas.com/en/Segment/Tyre-oils/Knowledge-Tank/White-papers/Mystery-property-helps-tailor-new-extender-oils/ ''Mystery property helps tailor new extender oils''], sur le site Nynas AB. Consulté le 14 octobre 2012.</ref>}}
{{début citation bloc}}Les phénomènes physiques qui interviennent dans la transition vitreuse restent l'un des plus fascinants mystères en science des matériaux et en [[physique de la matière condensée]].{{fin citation bloc|Salvatore Torquato<ref>Salvatore Torquato, professeur de chimie à l'[[université de Princeton]], est {{fr}} « un des grands noms en la matière », d'après MSc Martina Levin, ''Une propriété mystérieuse au service de nouveaux plastifiants'', [[Nynas]] Naphthenics, Naphthenics Magazine (1 - 2008). Source Internet correspondante où se trouve la citation {{en}} « ''{{Langue|en|texte=The underlying physics of glass transition remains one of the most fascinating open questions in material science and condensed-matter physics}}.'' » : Martina Levin, [http://www.nynas.com/en/Segment/Tyre-oils/Knowledge-Tank/White-papers/Mystery-property-helps-tailor-new-extender-oils/ ''{{Langue|en|texte=Mystery property helps tailor new extender oils}}''], sur le site Nynas AB (consulté le 14 octobre 2012).</ref>}}


== Généralités ==
== Généralités ==
Elle caractérise la [[Phase (matière)|phase]] [[Matière amorphe|amorphe]] d'un [[polymère]] ou d'un [[verre]]. Dans le cas d'un polymère, c'est un phénomène lié à des mouvements de segments de chaînes macromoléculaires situées dans les domaines amorphes.
La ''T''{{ind|v}} caractérise la [[Phase (matière)|phase]] [[Matière amorphe|amorphe]] d'un [[polymère]] ou d'un [[verre]] :
* dans le cas d'un polymère, c'est un phénomène lié à des mouvements de segments de chaînes macromoléculaires situées dans les domaines amorphes ;
* dans le cas d'un ''[[polymère semi-cristallin]]'', le mouvement des chaînes de la phase amorphe a lieu à la ''T''{{ind|v}}, tandis que le mouvement des chaînes de la phase cristalline est initié à la [[température de fusion]] (''T''{{ind|f}}).


En deçà de cette [[température]], les [[molécule]]s présentent une faible mobilité relative. La température de transition vitreuse correspond donc à un changement des propriétés mécaniques du matériau. Lorsqu'elle est franchie, le matériau acquiert une plus grande capacité de déformation.
En deçà de cette température, les [[molécule]]s présentent une faible mobilité relative. La température de transition vitreuse correspond donc à un changement des propriétés mécaniques du matériau. Lorsqu'elle est franchie, le matériau acquiert une plus grande capacité de déformation.


La T<sub>v</sub> d'un polymère est un indicateur utile pour la flexibilité, et peut ainsi faciliter, au sein d'une gamme, la sélection du [[grade]] le plus approprié pour une application considérée. Par exemple, pour des latex appartenant au même groupe d'[[élastomère]], le grade possédant la plus basse T<sub>v</sub> pourra apporter plus de souplesse à une température donnée et rester flexible à des températures plus basses.
La ''T''{{ind|v}} d'un polymère est un indicateur utile pour la flexibilité, et peut ainsi faciliter, au sein d'une gamme, la sélection du [[Grade (matériau)|grade]] le plus approprié pour une application considérée. Par exemple, pour des latex appartenant au même groupe d'[[élastomère]], le grade possédant la plus basse ''T''{{ind|v}} pourra apporter plus de souplesse à une température donnée et rester flexible à des températures plus basses.


Pour les verres minéraux (ou inorganiques) tels le verre de [[silice]] (SiO<sub>2</sub>), elle est définie comme étant le milieu de l'intervalle de température dans lequel ils deviennent progressivement plus [[viscosité|visqueux]] et passent de l'état [[liquide]] à l'[[état solide]].
Pour les verres minéraux (ou inorganiques) tels le [[Verre de quartz|verre de silice]] ({{fchim|SiO|2}}), elle est définie comme étant le milieu de l'intervalle de température dans lequel ils deviennent progressivement plus [[viscosité|visqueux]] et passent de l'état [[liquide]] à l'[[état solide]].


Les [[polymère]]s [[thermoplastique]]s (non [[réticulation|réticulés]]) ''amorphes'' sont caractérisés par leur température de transition vitreuse. Ils n'ont pas de [[température de fusion]] : ils se ramollissent (T<sub>r</sub> est la [[Point de ramollissement bille et anneau|température de ramollissement]]) au-delà d'une certaine température.
Les polymères [[thermoplastique]]s (non [[réticulation|réticulés]]) ''amorphes'' sont caractérisés par leur température de transition vitreuse. Ils n'ont pas de température de fusion : ils se ramollissent (''T''{{ind|r}} est la [[Point de ramollissement bille et anneau|température de ramollissement]]) au-delà d'une certaine température.


Les polymères thermoplastiques ''semi-[[Structure cristalline|cristallins]]'' présentent une morphologie plus complexe, avec coexistence de phases amorphes et [[cristal]]lines en proportions variables. Ils possèdent une température de fusion des zones cristallines, T<sub>f</sub> (T<sub>m</sub> en anglais, pour ''melt''). Au-delà de celle-ci, leur structure devient amorphe. De tels plastiques montrent souvent une température T<sub>v</sub> (qui est toujours inférieure à T<sub>f</sub>). La [[transition vitreuse]] est toutefois moins marquée que celle des matériaux amorphes.
Les polymères thermoplastiques semi-cristallins présentent une morphologie plus complexe, avec coexistence de phases amorphes et [[cristal]]lines en proportions variables. Ils possèdent une température de fusion des zones [[Structure cristalline|cristallines]], ''T''{{ind|f}} (''T''{{ind|m}} en anglais, pour ''{{Langue|en|texte=melt}}''). Au-delà de celle-ci, leur structure devient amorphe. De tels plastiques montrent souvent une température ''T''{{ind|v}} (qui est toujours inférieure à ''T''{{ind|f}}). La [[transition vitreuse]] est toutefois moins marquée que celle des matériaux amorphes.


En dessous de T<sub>v</sub>, sur le plateau vitreux, les matériaux sont rigides, peu [[ductilité|ductiles]] et souvent [[Rupture (matériau)|cassants]]. Ils peuvent se fissurer ou se briser en éclats.
En dessous de ''T''{{ind|v}}, sur le plateau vitreux, les matériaux sont rigides, peu [[ductilité|ductiles]] et souvent [[Rupture (matériau)|cassants]]. Ils peuvent se fissurer ou se briser en éclats.


Les corps purs de faible [[poids moléculaire]] tels l'[[eau]] n'ont qu'une température de transition à l'état solide : en dessous de celle-ci, ce sont des solides cristallins (ou de la [[glace amorphe]] si le refroidissement en dessous de T<sub>v</sub> est assez rapide) et au-dessus, ce sont des liquides.
Les corps purs de faible [[poids moléculaire]] tels l'[[eau]] n'ont qu'une température de transition à l'état solide : en dessous de celle-ci, ce sont des solides cristallins (ou de la [[glace amorphe]] si le refroidissement en dessous de ''T''{{ind|v}} est assez rapide) et au-dessus, ce sont des liquides.


Au-dessus de T<sub>v</sub>, les « liaisons faibles » entre les chaînes des polymères deviennent fragiles sous l'action de l'[[agitation thermique]], le polymère devient souple et capable de se [[déformation élastique|déformer élastiquement]] ou [[déformation plastique|plastiquement]] sans [[rupture (matériau)|rupture]]. Cette propriété justifie en partie l'utilité de la plupart des plastiques.
Au-dessus de ''T''{{ind|v}} les « liaisons faibles » entre les chaînes des polymères deviennent fragiles sous l'action de l'[[agitation thermique]], le polymère devient souple et capable de se [[déformation élastique|déformer élastiquement]] ou [[déformation plastique|plastiquement]] sans [[rupture (matériau)|rupture]]. Cette propriété justifie en partie l'utilité de la plupart des plastiques.


Un tel comportement n'existe pas pour les plastiques [[thermodurcissable]]s (après réticulation). Du fait de leur rigidité, ils se briseront en éclats sous l'effet d'une contrainte plutôt que se déformer. Ils ne pourront plus être fondus par un chauffage éventuel.
Un tel comportement n'existe pas pour les plastiques [[thermodurcissable]]s (après réticulation). Du fait de leur rigidité, ils se briseront en éclats sous l'effet d'une contrainte plutôt que se déformer. Ils ne pourront plus être fondus par un chauffage éventuel.


La connaissance de T<sub>v</sub> présente, dans la pratique, un intérêt majeur car elle conditionne la [[mise en forme des matériaux]]. En effet, en dessous de cette température, les matériaux sont [[Dureté (matériau)|durs]]. Les élastomères, tels le [[styrène-butadiène]], sont utilisés au-delà de leur T<sub>v</sub>, tandis que les polymères [[thermoplastique]]s amorphes, comme le [[polystyrène]], sont utilisés en dessous. Les polymères semi-cristallins, tels le [[polypropylène]] isotactique, sont utilisés à une température située entre la T<sub>v</sub> de leur phase amorphe et la T<sub>f</sub> de leur phase cristalline.
La connaissance de ''T''{{ind|v}} présente, dans la pratique, un intérêt majeur car elle conditionne la [[Mise en forme d'un matériau|mise en forme des matériaux]]. En effet, en dessous de cette température, les matériaux sont [[Dureté (matériau)|durs]]. Les élastomères, tels le [[styrène-butadiène]], sont utilisés au-delà de leur ''T''{{ind|v}}, tandis que les polymères [[thermoplastique]]s amorphes, comme le [[polystyrène]], sont utilisés en dessous. Les polymères semi-cristallins, tels le [[polypropylène]] isotactique, sont utilisés à une température située entre la ''T''{{ind|v}} de leur phase amorphe et la ''T''{{ind|f}} de leur phase cristalline.


La T<sub>v</sub> d'un polymère peut être diminuée par l'ajout de [[plastifiant]]s.
La ''T''{{ind|v}} d'un polymère peut être diminuée par l'ajout de [[Plastifiant pour matière plastique|plastifiants]].


== Paramètres influençant la température de transition vitreuse ==
== Paramètres influençant ''T''{{ind|v}} ==
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Elle dépend de :

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* la structure du polymère. Celle-ci a une incidence majeure sur la ''T''{{ind|v}}. Par exemple, des groupes flexibles tels les liaisons [[Éther-oxyde|éther]] augmentent la flexibilité des chaînes et réduisent la valeur ''T''{{ind|v}} ; des groupes rigides tels le [[phényle]] l'augmentent ;
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En effet, elle dépend de :
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* la structure du polymère. Celle-ci a une incidence majeure sur la T<sub>v</sub>. Par exemple, des groupes flexibles tels les liaisons [[Éther-oxyde|éther]] augmentent la flexibilité des chaînes et réduisent la valeur T<sub>v</sub> ; des groupes rigides tels le [[phényle]] l'augmentent ;
* la [[masse molaire]] et la distribution des masses molaires ;
* la [[masse molaire]] et la distribution des masses molaires ;
* la vitesse de chauffage/refroidissement et de déformation ; plus les vitesses de chauffage/refroidissement ou de sollicitation sont élevées, plus la valeur T<sub>v</sub> est grande ;
* la vitesse de chauffage/refroidissement et de déformation ; plus les vitesses de chauffage/refroidissement ou de sollicitation sont élevées, plus la valeur ''T''{{ind|v}} est grande ;
* la pression<ref>{{article | prénom1 = E. | nom1 = Jones Parry | prénom2 = D. | nom2 = Tabor | langue = en | titre = Effect of hydrostatic pressure and temperature on the mechanical loss properties of polymers | sous-titre = 3. PET, PVAC and vinyl chloride/vinyl acetate copolymers | périodique = Polymers | volume = 14 | numéro = 12 | éditeur = Elsevier | mois = décembre | année = 1973 | pages = 628–631 | présentation en ligne =http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0032386173900372}}.</ref>{{,}}<ref>{{article | prénom1 = E. | nom1 = Jones Parry | prénom2 = D. | nom2 = Tabor | langue = en | titre = Effect of hydrostatic pressure on the mechanical properties of polymers | sous-titre = a brief review of published data | périodique = J. Mater. Sci. | volume = 8 | numéro = 10 | éditeur = Springer | mois = octobre | année = 1973 | pages = 1510-1516 | présentation en ligne = https://link.springer.com/article/10.1007/BF00551675}}.</ref> : en effet, si le polymère est comprimé, le volume libre des chaînes diminue, elles « s'accrochent entre elles » ; ''T''{{ind|v}} augmente avec ''P'' à des valeurs variant de {{tmp|2|44|°C}}/{{unité|1000 atm}} (soit {{nb|2 e-8}} à {{nb|4.4 e-7 K/Pa}}).
* la pression<ref>{{article
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| prénom1 = E. | nom1 = Jones Parry
| prénom2 = D. | nom2 = Tabor
| langue = en
| titre = Effect of hydrostatic pressure on the mechanical properties of polymers
| sous-titre = a brief review of published data
| périodique =Journal of Materials Science
| volume = 8 | numéro = 10
| éditeur = Springer
| mois = octobre | année = 1973
| pages = 1510-1516
| présentation en ligne = http://link.springer.com/article/10.1007/BF00551675
}}
</ref>

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== Mesure de T<sub>v</sub> ==


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== Mesure ==
De très nombreuses propriétés physiques ([[masse volumique]], [[coefficient de dilatation]], [[chaleur spécifique]], constantes élastiques telles le [[module de Young]], [[viscosité]], [[conductivité thermique]], [[indice de réfraction]], etc.) peuvent varier de façon notable au voisinage de la T<sub>v</sub> et peuvent être utilisées pour sa mesure.
De très nombreuses propriétés physiques ([[masse volumique]], [[coefficient de dilatation]], [[chaleur spécifique]], constantes élastiques telles le [[module de Young]], [[viscosité]], [[conductivité thermique]], [[indice de réfraction]]{{etc.}}) peuvent varier de façon notable au voisinage de la ''T''{{ind|v}} et peuvent être utilisées pour sa mesure.


La température de transition vitreuse d'un matériau peut être mesurée par l'analyse thermique différentielle, ou méthode [[Calorimétrie différentielle à balayage|DSC]] (''Differential Scanning Calorimetry''), qui est la technique statique la plus couramment employée à cet effet.
La température de transition vitreuse d'un matériau peut être mesurée par l'analyse thermique différentielle, ou méthode [[Calorimétrie différentielle à balayage|DSC]] (''{{Langue|en|texte=Differential Scanning Calorimetry}}''), qui est la technique statique la plus couramment employée à cet effet.


La technique d'analyse dynamique [[Viscoanalyseur|DM(T)A]], précise, est aussi utilisée. Elle peut résoudre les faibles transitions secondaires (transitions β et γ). De nombreux polymères présentent ces transitions sous-vitreuses (observées à T < T<sub>v</sub>) qui sont généralement dues à des mouvements de groupes latéraux ou de certains segments de chaînes.
L'[[analyse mécanique dynamique]] (DM(T)A), précise, est aussi utilisée. Elle peut résoudre les faibles transitions secondaires ({{nobr|transitions β}} et γ). De nombreux polymères présentent ces transitions sous-vitreuses (observées à ''T'' < ''T''{{ind|v}}) qui sont généralement dues à des mouvements de groupes latéraux ou de certains segments de chaînes.


Le tableau suivant donne les températures de transition vitreuse de quelques polymères. Ce sont des ordres de grandeur, car la T<sub>v</sub> est une quantité mal définie, en particulier du fait qu'elle dépende de la vitesse de chauffage/refroidissement et de déformation, et donc de la méthode de mesure.
Le tableau suivant donne les températures de transition vitreuse de quelques polymères. Ce sont des [[Ordre de grandeur|ordres de grandeur]], car la ''T''{{ind|v}} est une quantité mal définie, en particulier du fait qu'elle dépende de la vitesse de chauffage/refroidissement et de déformation, et donc de la méthode de mesure.


Pour un polymère semi-cristallin tel le polyéthylène dont le taux de cristallinité est de 60-80 % à température ambiante, la température de transition vitreuse indiquée correspond à celle de la partie amorphe du matériau lorsque la température baisse.
Pour un [[polymère semi-cristallin]] tel le polyéthylène dont le taux de cristallinité est de 60-80 % à température ambiante, la température de transition vitreuse indiquée correspond à celle de la partie amorphe du matériau lorsque la température baisse.


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{|class="wikitable centre" style="text-align:center"
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! Polymère
! Polymère
! T<sub>v</sub> (°C)<br />(valeur moyenne)
! ''T''{{ind|v}} (°C)<br>(valeur moyenne)
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| [[Polydiméthylsiloxane]] (PDMS) || <center> -120<ref name="GB"/> </center>
| [[Polydiméthylsiloxane]] (PDMS) || {{nb|-120}}<ref name="GB"/>
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| [[Polybutadiène|{{Coloré|#994C4C|'''1,4-cis-polybutadiène'''}}]] (BR) || <center> -112<ref name="GB">G. Beauhaire, ''Analyse calorimétrique et thermogravimétrique appliquée aux polymères industriels'', {{p.}}E9, [[Société nationale industrielle aérospatiale|SNIAS]] Suresnes, conf. SFIP, 17/11/83, Paris.</ref> </center>
| [[Polybutadiène|1,4-cis-polybutadiène]] (BR) || {{nb|-112}}<ref name="GB">G. Beauhaire, ''Analyse calorimétrique et thermogravimétrique appliquée aux polymères industriels'', {{p.}}E9, [[Société nationale industrielle aérospatiale|SNIAS]] Suresnes, conférence SFIP, 17 novembre 1983, Paris.</ref>
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=== Liens externes ===
=== Liens externes ===
* {{pdf}} {{en}} Jeppe C. Dyre, [http://link.aps.org/abstract/RMP/v78/p953 Colloquium: ''The glass transition and elastic models of glass-forming liquids''], publié le 29/09/06 (gratuit). Consulté le 12 juillet 2012.
* {{en}} Jeppe C. Dyre, [http://link.aps.org/abstract/RMP/v78/p953 Colloquium: ''{{Langue|en|texte=The glass transition and elastic models of glass-forming liquids}}''] {{pdf}}, {{date-|29 septembre 2006}} (gratuit) (consulté le {{date-|12 juillet 2012}}).


{{Palette|Matériaux polymères|État de la matière}}
{{Portail|chimie|physique|matériaux}}
{{Portail|chimie|physique|matériaux}}


{{DEFAULTSORT:Temperature de transition vitreuse}}
[[Catégorie:Température seuil|transition vitreuse]]
[[Catégorie:Science des matériaux]]
[[Catégorie:Science des matériaux]]
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[[Catégorie:Physique du solide]]

Dernière version du 24 septembre 2023 à 03:57

Article connexe : Transition vitreuse.
Au passage de la Tv, le module de Young des élastomères varie considérablement.

En termes de propriétés physiques, la température de transition vitreuse (Tv, en anglais : Tg pour glass) d'une matière est souvent décrite comme représentant l'intervalle de température à travers lequel la matière passe d'un état caoutchouteux à un état vitreux, solide (rigide).

La température de transition vitreuse reste l'un des principaux mystères de la science des matériaux. C'est un paramètre difficile à cerner. Aucune théorie (dont celle fondée sur le volume libre, sur la thermodynamique, sur la cinétique, ou plus récemment sur des statistiques complexes, sur un modèle de paysage d'énergie) ne parvient à expliquer entièrement le phénomène macroscopique qui se produit au voisinage de Tv. La température de transition vitreuse dépend de nombreux facteurs, dont la structure moléculaire ; sa mesure exacte n'est pas aisée.

« Les phénomènes physiques qui interviennent dans la transition vitreuse restent l'un des plus fascinants mystères en science des matériaux et en physique de la matière condensée. »

— Salvatore Torquato[1]

Généralités[modifier | modifier le code]

La Tv caractérise la phase amorphe d'un polymère ou d'un verre :

  • dans le cas d'un polymère, c'est un phénomène lié à des mouvements de segments de chaînes macromoléculaires situées dans les domaines amorphes ;
  • dans le cas d'un polymère semi-cristallin, le mouvement des chaînes de la phase amorphe a lieu à la Tv, tandis que le mouvement des chaînes de la phase cristalline est initié à la température de fusion (Tf).

En deçà de cette température, les molécules présentent une faible mobilité relative. La température de transition vitreuse correspond donc à un changement des propriétés mécaniques du matériau. Lorsqu'elle est franchie, le matériau acquiert une plus grande capacité de déformation.

La Tv d'un polymère est un indicateur utile pour la flexibilité, et peut ainsi faciliter, au sein d'une gamme, la sélection du grade le plus approprié pour une application considérée. Par exemple, pour des latex appartenant au même groupe d'élastomère, le grade possédant la plus basse Tv pourra apporter plus de souplesse à une température donnée et rester flexible à des températures plus basses.

Pour les verres minéraux (ou inorganiques) tels le verre de silice (SiO2), elle est définie comme étant le milieu de l'intervalle de température dans lequel ils deviennent progressivement plus visqueux et passent de l'état liquide à l'état solide.

Les polymères thermoplastiques (non réticulés) amorphes sont caractérisés par leur température de transition vitreuse. Ils n'ont pas de température de fusion : ils se ramollissent (Tr est la température de ramollissement) au-delà d'une certaine température.

Les polymères thermoplastiques semi-cristallins présentent une morphologie plus complexe, avec coexistence de phases amorphes et cristallines en proportions variables. Ils possèdent une température de fusion des zones cristallines, Tf (Tm en anglais, pour melt). Au-delà de celle-ci, leur structure devient amorphe. De tels plastiques montrent souvent une température Tv (qui est toujours inférieure à Tf). La transition vitreuse est toutefois moins marquée que celle des matériaux amorphes.

En dessous de Tv, sur le plateau vitreux, les matériaux sont rigides, peu ductiles et souvent cassants. Ils peuvent se fissurer ou se briser en éclats.

Les corps purs de faible poids moléculaire tels l'eau n'ont qu'une température de transition à l'état solide : en dessous de celle-ci, ce sont des solides cristallins (ou de la glace amorphe si le refroidissement en dessous de Tv est assez rapide) et au-dessus, ce sont des liquides.

Au-dessus de Tv les « liaisons faibles » entre les chaînes des polymères deviennent fragiles sous l'action de l'agitation thermique, le polymère devient souple et capable de se déformer élastiquement ou plastiquement sans rupture. Cette propriété justifie en partie l'utilité de la plupart des plastiques.

Un tel comportement n'existe pas pour les plastiques thermodurcissables (après réticulation). Du fait de leur rigidité, ils se briseront en éclats sous l'effet d'une contrainte plutôt que se déformer. Ils ne pourront plus être fondus par un chauffage éventuel.

La connaissance de Tv présente, dans la pratique, un intérêt majeur car elle conditionne la mise en forme des matériaux. En effet, en dessous de cette température, les matériaux sont durs. Les élastomères, tels le styrène-butadiène, sont utilisés au-delà de leur Tv, tandis que les polymères thermoplastiques amorphes, comme le polystyrène, sont utilisés en dessous. Les polymères semi-cristallins, tels le polypropylène isotactique, sont utilisés à une température située entre la Tv de leur phase amorphe et la Tf de leur phase cristalline.

La Tv d'un polymère peut être diminuée par l'ajout de plastifiants.

Paramètres influençant Tv[modifier | modifier le code]

Elle dépend de :

  • la structure du polymère. Celle-ci a une incidence majeure sur la Tv. Par exemple, des groupes flexibles tels les liaisons éther augmentent la flexibilité des chaînes et réduisent la valeur Tv ; des groupes rigides tels le phényle l'augmentent ;
  • la masse molaire et la distribution des masses molaires ;
  • la vitesse de chauffage/refroidissement et de déformation ; plus les vitesses de chauffage/refroidissement ou de sollicitation sont élevées, plus la valeur Tv est grande ;
  • la pression[2],[3] : en effet, si le polymère est comprimé, le volume libre des chaînes diminue, elles « s'accrochent entre elles » ; Tv augmente avec P à des valeurs variant de 2 à 44 °C/1 000 atm (soit 2 × 10−8 à 4,4 × 10−7 K/Pa).

Mesure[modifier | modifier le code]

De très nombreuses propriétés physiques (masse volumique, coefficient de dilatation, chaleur spécifique, constantes élastiques telles le module de Young, viscosité, conductivité thermique, indice de réfraction, etc.) peuvent varier de façon notable au voisinage de la Tv et peuvent être utilisées pour sa mesure.

La température de transition vitreuse d'un matériau peut être mesurée par l'analyse thermique différentielle, ou méthode DSC (Differential Scanning Calorimetry), qui est la technique statique la plus couramment employée à cet effet.

L'analyse mécanique dynamique (DM(T)A), précise, est aussi utilisée. Elle peut résoudre les faibles transitions secondaires (transitions β et γ). De nombreux polymères présentent ces transitions sous-vitreuses (observées à T < Tv) qui sont généralement dues à des mouvements de groupes latéraux ou de certains segments de chaînes.

Le tableau suivant donne les températures de transition vitreuse de quelques polymères. Ce sont des ordres de grandeur, car la Tv est une quantité mal définie, en particulier du fait qu'elle dépende de la vitesse de chauffage/refroidissement et de déformation, et donc de la méthode de mesure.

Pour un polymère semi-cristallin tel le polyéthylène dont le taux de cristallinité est de 60-80 % à température ambiante, la température de transition vitreuse indiquée correspond à celle de la partie amorphe du matériau lorsque la température baisse.

Polymère Tv (°C)
(valeur moyenne)
Polydiméthylsiloxane (PDMS) −120[4]
1,4-cis-polybutadiène (BR) −112[4]
Polyéthylène (PE) −110 (transition γ)
Caoutchouc naturel (NR) −73[4]
Polyisobutylène (PIB) −68[4]
Styrène-butadiène (SBR) −55
Néoprène (polychloroprène, CR) −50[4]
1,4-trans-polybutadiène (BR) −20[4]
1,2-polybutadiène (BR) −12[4]
Polypropylène isotactique (PPi) −10 à 0[4]
Poly(acétate de vinyle) (PVA ou PVAc) 32[4]
Polyamide 11 46[4]
Polyamide 6.10 50[4]
Polyméthylpentène (PMP) 50[4]
Polyamide 6 52
Polyamide 12 55
Polyamide 6.6 57
Cire naturelle 60
Poly(téréphtalate d'éthylène) (PET) 69[4]
Polyamide 4.6 80
Poly(chlorure de vinyle) (PVC) 80[4]
Poly(alcool vinylique) (PVAl) 85[4]
Polystyrène (PS) 100[4]
Polyacrylonitrile (PAN) 105[4]
Poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) atactique 108[4]
Polycarbonate (PC) 150[4]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. ↑ Salvatore Torquato, professeur de chimie à l'université de Princeton, est (fr) « un des grands noms en la matière », d'après MSc Martina Levin, Une propriété mystérieuse au service de nouveaux plastifiants, Nynas Naphthenics, Naphthenics Magazine (1 - 2008). Source Internet correspondante où se trouve la citation (en) « The underlying physics of glass transition remains one of the most fascinating open questions in material science and condensed-matter physics. » : Martina Levin, Mystery property helps tailor new extender oils, sur le site Nynas AB (consulté le 14 octobre 2012).
  2. ↑ (en) E. Jones Parry et D. Tabor, « Effect of hydrostatic pressure and temperature on the mechanical loss properties of polymers : 3. PET, PVAC and vinyl chloride/vinyl acetate copolymers », Polymers, Elsevier, vol. 14, no 12,‎ , p. 628–631 (présentation en ligne).
  3. ↑ (en) E. Jones Parry et D. Tabor, « Effect of hydrostatic pressure on the mechanical properties of polymers : a brief review of published data », J. Mater. Sci., Springer, vol. 8, no 10,‎ , p. 1510-1516 (présentation en ligne).
  4. ↑ a b c d e f g h i j k l m n o p q r et s G. Beauhaire, Analyse calorimétrique et thermogravimétrique appliquée aux polymères industriels, p. E9, SNIAS Suresnes, conférence SFIP, 17 novembre 1983, Paris.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

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