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Une matière thermoplastique est une matière ayant la propriété de se ramollir (parfois on observe une fusion franche) lorsqu'elle est chauffée suffisamment, mais qui, se refroidissant, redevient dure. Une telle matière conserve donc toujours de manière réversible sa thermoplasticité initiale.

L'état de ramollissement permet leur déformation mécanique, cette déformation étant figée par le refroidissement.

Cette qualité rend le matériau recyclable, à condition que la matière ne soit pas thermiquement dégradée et que les contraintes mécaniques de cisaillement de l'éventuel procédé de mise en forme ne modifient pas la structure moléculaire. C'est le cas du verre, des métaux et en général des macromolécules monodimensionnelles (issues de monomères bivalents), à structure linéaire ou ramifiée, de la chimie organique (par exemple, PE, PVC et PA).

Polymères thermoplastiques[modifier | modifier le code]

Généralités[modifier | modifier le code]

Le degré de polymérisation (DP ou n, directement proportionnel à la masse molaire du polymère) conditionne d'une part l'aptitude à la mise en œuvre sur machines (qui dépend de la viscosité), et d'autre part les propriétés mécaniques et thermiques du produit fini^[1].

La structure moléculaire des polymères thermoplastiques solides est soit amorphe (non organisée) (ex. : PS, PMMA et PC), soit cristalline (organisée, dans laquelle les chaînes sont alignées). Les propriétés mécaniques et thermiques sont meilleures dans le second cas. Ces deux structures peuvent coexister en proportions variables, le polymère correspondant est dit semi-cristallin et caractérisé par un taux de cristallinité. La présence de cristallinité dans les matériaux capables de cristalliser (tels le PE, PP et PA) dépend beaucoup de leur histoire thermique et donc des conditions de mise en œuvre utilisées pour fabriquer l'objet moulé.

Certains plastiques thermoplastiques peuvent présenter partiellement des structures tridimensionnelles (ex. : PS faiblement réticulé) ; le polymère semi-thermoplaste est alors dur, moins soluble, plus résistant au fluage, mais plus fragile.

Dépendance de la température[modifier | modifier le code]

Une élévation de température entraîne une séparation des longues chaînes moléculaires. Le passage du matériau de l'état solide à l'état liquide visqueux s'effectue lorsque l'agitation thermique rompt les « liaisons faibles » (liaisons physiques, par exemple interactions moléculaires de faible (van der Waals) ou de moyenne énergie (liaisons hydrogène)) entre deux segments macromoléculaires contigus sans affecter les liaisons covalentes caténaires^[2]. Ce mécanisme est réversible (le liquide visqueux se solidifie par refroidissement car les chaînes se rapprochent, créant un retrait plus ou moins prononcé) : la matière est thermoplastique. Les matériaux semi-cristallins montrent un retrait général^[3] supérieur à celui des amorphes^[4].

La température de transition vitreuse (T_v) correspond à la rupture des (peu nombreuses) liaisons faibles intercaténaires dans la phase amorphe. Elle est toujours inférieure à la température de fusion (T_f) qui correspond à la disparition des (nombreuses) liaisons faibles intercaténaires dans la phase cristalline.

Applications[modifier | modifier le code]

Le cycle de ramollissement par chauffage et de solidification par refroidissement peut être répété plus ou moins indéfiniment. Ce cycle représente un avantage considérable puisqu'il est à la base de la plupart des techniques de transformation de ces matériaux. Ce phénomène représente toutefois un inconvénient, parce que cela signifie que les propriétés des matières thermoplastiques dépendent de la température.
Le calandrage, l'extrusion et le moulage par injection sont les techniques de transformation typiques des polymères thermoplastiques. Le principal mode de transformation des matériaux thermoplastiques techniques est l'injection.
Les polymères avec une structure amorphe et une masse molaire élevée sont préférés pour l'extrusion. Par contre, les polymères amorphes de faible masse molaire sont de bons candidats pour l'injection.

L'acétate de cellulose, de sigle CA, résulte de la modification chimique (par acétylation) de la cellulose^[6]. Ce polymère artificiel connaît, depuis les années 1920, une importance économique certaine. La principale application de ce dérivé cellulosique thermoplastique concerne la fabrication de fibres textiles et de films.

Au cours de la fabrication des fils et fibres synthétiques, on peut, après l'extrusion au travers d'une filière de filage, procéder à un étirage mécanique uniaxial du polymère à l'état solide, à une température inférieure à celle de la fusion des zones cristallines. L'étirage des monofilaments crée une cristallisation. Les filaments sont étirés en flux continu de 300 à 500 % la longueur initiale par des cylindres. Cette opération permet de renforcer la cohésion du système macromoléculaire, ce qui décuple la résistance mécanique. Les principaux polymères qui utilisent ce procédé sont les polyoléfines (PE et PP), les polyamides (PA) et le poly(téréphtalate d'éthylène) (PET) (le « polyester »).
Ce phénomène est également mis à profit lors de l'élaboration de films. Un étirage biaxial (selon deux directions généralement orthogonales) est effectué de façon à orienter les chaînes du polymère, ce qui améliore les caractéristiques mécaniques dans deux dimensions.

Les polymères thermoplastiques sont solubles si un solvant est capable de rompre les interactions moléculaires assurant leur cohésion. Il est alors possible de les utiliser comme revêtements et adhésifs.

La copolymérisation est une opération très souvent employée dans le domaine des matières thermoplastiques pour améliorer certaines propriétés. Par exemple, dans la famille des styréniques :

le copolymère séquencé (copolymère bloc) styrène-butadiène (SBR) ou « polystyrène-choc » a été mis au point pour augmenter la résilience du PS homopolymère « cristal » ;
le copolymère statistique styrène-acrylonitrile (SAN), améliore la rigidité du PS (applications : boîtiers de batterie, électroménager, etc.) ;
le styrène-butadiène (SBS), un copolymère à trois blocs, est un élastomère thermoplastique (TPE, en anglais) et donc recyclable. Il est employé dans tous les domaines d'utilisation des élastomères. La mise en forme s'effectue au moyen des techniques habituellement réservées aux polymères thermoplastiques. Le SBS est par ailleurs utilisé comme adhésif « sensible à la pression ».

Les mélanges de polymères (mélanges « polymère-polymère ») thermoplastiques – PC/ABS, PPO/PS (Noryl), PP/EPDM, etc. – sont des mélanges mécaniques de polymères (amorphes ou semi-cristallins). Des agents compatibilisants sont employés. L'association de polymères permet d'obtenir un mélange dont les caractéristiques sont hybrides aux polymères qui le constituent.

Économie[modifier | modifier le code]

La fabrication de produits en matière plastique avoisine 3,5 millions de tonnes en France, en 2007.

La consommation des polymères thermoplastiques est environ quatre fois plus importante que celle des thermodurcissables en Europe de l'Ouest^[7].

La production des fibres synthétiques représente plus de la moitié de celle des fibres textiles de toute nature.

Les PEBD^[8], PEHD, PVC, PP et PS sont des polymères thermoplastiques de grande consommation de très bas prix. Ces cinq membres représentent plus de la moitié de la consommation totale des matières plastiques.

Le poly(éther-éther-cétone de phénylène) (PEEK) est un thermostable (T_f ~335 °C) arrivé assez tardivement sur le marché. Ce polymère est dit spécial : il se distingue par un prix très élevé.

Polymères thermodurcissables[modifier | modifier le code]

Les polymères thermodurcissables deviennent solides irréversiblement, le plus souvent après chauffage. La transformation s'effectue avec réaction chimique (polymérisation). Ils présentent des propriétés thermomécaniques très différentes des polymères thermoplastiques ; le réseau tridimensionnel est constitué de nœuds covalents (faisant intervenir des liaisons de haute énergie) dont la rupture est, par nature, irréversible.

Contrairement aux matières thermoplastiques, les matières thermodurcissables ne peuvent être mises en forme qu'une seule fois ; les produits finis ne pourront plus être fondus (sans dégradation) par un chauffage éventuel. Les matières thermodurcissables sont donc non recyclables.

Exemples de matières thermodurcissables : celles obtenues par copolymérisation du styrène en présence d'un polyester insaturé réactif, les résines aminoplaste et époxyde, les élastomères vulcanisés, etc.

Une fois la transformation réalisée, les matériaux thermodurcissables sont typiquement rigides^[9] et leurs propriétés mécaniques dépendent peu de la température.

Abus de langage[modifier | modifier le code]

Les mots thermoplastique et thermodurcissable sont des adjectifs. Ils sont parfois utilisés comme noms.

Notes et références[modifier | modifier le code]

↑ L'essai de traction est le moyen le plus simple de caractérisation de la résistance mécanique d'un polymère.
↑ Caténaire : relatif à la chaîne principale de la macromolécule.
↑ Retrait (« immédiat », se produisant lors du moulage et durant (environ) les deux heures suivantes) plus post-retrait (différé, se produisant sur plusieurs mois).
↑ Les renforts (tels la fibre de verre) et les charges (craie, talc, etc.) améliorent la tenue thermique et diminuent le retrait (c'est-à-dire amélioration de la stabilité dimensionnelle).
↑ Le PA-6 (polycaprolactame) appartient à la famille des polymères thermoplastiques techniques (ceux-ci possèdent des caractéristiques mécaniques élevées et sont très onéreux).
↑ Les chaînes moléculaires ne sont pas dégradées lors de la transformation.
↑ Revue Plast Europe, 2001.
↑ L'exemple typique de structure ramifiée concerne le PEBD (« basse densité ») obtenu par polymérisation sous haute pression.
↑ Une structure tridimensionnelle, qui ne permet pratiquement aucune rotation autour des liaisons, élève la rigidité moléculaire.

Articles connexes[modifier | modifier le code]

[1] L'essai de traction est le moyen le plus simple de caractérisation de la résistance mécanique d'un polymère.

[2] Caténaire : relatif à la chaîne principale de la macromolécule.

[3] Retrait (« immédiat », se produisant lors du moulage et durant (environ) les deux heures suivantes) plus post-retrait (différé, se produisant sur plusieurs mois).

[4] Les renforts (tels la fibre de verre) et les charges (craie, talc, etc.) améliorent la tenue thermique et diminuent le retrait (c'est-à-dire amélioration de la stabilité dimensionnelle).

[5] Le PA-6 (polycaprolactame) appartient à la famille des polymères thermoplastiques techniques (ceux-ci possèdent des caractéristiques mécaniques élevées et sont très onéreux).

[6] Les chaînes moléculaires ne sont pas dégradées lors de la transformation.

[7] Revue Plast Europe, 2001.

[8] L'exemple typique de structure ramifiée concerne le PEBD (« basse densité ») obtenu par polymérisation sous haute pression.

[9] Une structure tridimensionnelle, qui ne permet pratiquement aucune rotation autour des liaisons, élève la rigidité moléculaire.

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-[[Fichier:The Art of Blown Glass.jpg|vignette|[[Soufflage du verre]] à des températures juste supérieures à la [[transition vitreuse]]]]
+{{À recycler|motif=L'article évoque les thermodurcissables alors que ce n'est pas dans son champ. Le RI évoque des matières comme le verre ou des métaux, mais rien n'est développé dans le corps d'article|date=mars 2024}}[[Fichier:The Art of Blown Glass.jpg|vignette|[[Soufflage du verre]] à des températures juste supérieures à la [[transition vitreuse]].]]
-Une matière '''thermoplastique''' désigne une matière qui se [[Point de ramollissement bille et anneau|ramollit]] (parfois on observe une [[fusion (physique)|fusion]] franche) d'une façon répétée lorsqu'elle est chauffée au-dessus d'une certaine [[température]], mais qui, au-dessous, redevient [[dureté (matériau)|dure]]. Une telle matière conservera donc toujours de manière ''réversible'' sa [[Déformation plastique|thermoplasticité]] initiale. Cette qualité rend le matériau thermoplastique potentiellement ''[[recyclage|recyclable]]'' (après [[broyage]]). Cela implique que la matière ramollie ne soit pas thermiquement dégradée et que les [[contrainte (mécanique)|contraintes mécaniques]] de cisaillement introduites par un procédé de [[mise en forme d'un matériau|mise en forme]] ne modifient pas la structure moléculaire.
+Une matière '''thermoplastique''' est une matière ayant la propriété de se [[Point de ramollissement bille et anneau|ramollir]] (parfois on observe une [[fusion (physique)|fusion]] franche) lorsqu'elle est chauffée suffisamment, mais qui, se refroidissant, redevient [[dureté (matériau)|dure]]. Une telle matière conserve donc toujours de manière ''réversible'' sa [[Déformation plastique|thermoplasticité]] initiale.
+L'état de ramollissement permet leur [[Déformation d'un matériau|déformation]] mécanique, cette déformation étant figée par le refroidissement.
-C'est le cas du [[verre]], des [[métal|métaux]] et en général des [[macromolécule]]s '''monodimensionnelles''' (issues de [[monomère]]s [[valence (chimie)|bivalents]]), à structure linéaire ou [[Chaîne latérale|ramifiée]], de la [[chimie organique]] (par exemple, [[polyéthylène|PE]], [[polychlorure de vinyle|PVC]] et [[polyamide|PA]]).
+Cette qualité rend le matériau ''[[recyclage|recyclable]]'', à condition que la matière ne soit pas thermiquement dégradée et que les [[contrainte (mécanique)|contraintes mécaniques]] de cisaillement de l'éventuel procédé de [[mise en forme d'un matériau|mise en forme]] ne modifient pas la structure moléculaire. C'est le cas du [[verre]], des [[métal|métaux]] et en général des [[macromolécule]]s '''monodimensionnelles''' (issues de [[monomère]]s [[valence (chimie)|bivalents]]), à structure linéaire ou [[Chaîne latérale|ramifiée]], de la [[chimie organique]] (par exemple, [[polyéthylène|PE]], [[polychlorure de vinyle|PVC]] et [[polyamide|PA]]).
-L'état de ramollissement permet leur [[Déformation d'un matériau|déformation]] sous l'action de contraintes mécaniques, cette déformation étant figée par le refroidissement.
 == Polymères thermoplastiques ==
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 === Dépendance de la température ===
 [[Fichier:PPi_DMA@10 Hz.png|vignette|Variation du module d'un [[polypropylène]] avec la température, obtenue par [[Analyse mécanique dynamique|DMA]]]]
-Une élévation de température entraîne une séparation des longues chaînes moléculaires. Le passage du matériau de l'état solide à l'état liquide visqueux s'effectue lorsque l'[[agitation thermique]] rompt les « liaisons faibles » (liaisons ''physiques'', par exemple [[interaction]]s moléculaires de faible ([[Force de van der Waals|van der Waals]]) ou de moyenne énergie ([[liaison hydrogène|liaisons hydrogène]])) entre deux segments macromoléculaires contigus sans affecter les [[liaison covalente|liaisons covalentes]] [[Caténation|caténaires]]<ref>[[wikt:caténaire|Caténaire]] : relatif à la chaîne principale de la macromolécule.</ref>. Ce mécanisme est ''réversible'' (le liquide visqueux se solidifie par refroidissement car les chaînes se rapprochent, créant un [[retrait plastique|retrait]] plus ou moins prononcé) : la matière est ''thermoplastique''. Les matériaux semi-cristallins montrent un retrait général<ref>Retrait (« immédiat », se produisant lors du moulage et durant (environ) les deux heures suivantes) plus post-retrait (différé, se produisant sur plusieurs mois).</ref> supérieur à celui des amorphes<ref>Les renforts (tels la [[fibre de verre]]) et les [[charge (substance)|charges]] ([[craie]], [[talc]]{{etc.}}) améliorent la tenue thermique et diminuent le retrait (c'est-à-dire amélioration de la stabilité dimensionnelle).</ref>.
+Une élévation de température entraîne une séparation des longues chaînes moléculaires. Le passage du matériau de l'état solide à l'état liquide visqueux s'effectue lorsque l'[[agitation thermique]] rompt les « liaisons faibles » (liaisons ''physiques'', par exemple [[interaction]]s moléculaires de faible ([[Force de van der Waals|van der Waals]]) ou de moyenne énergie ([[liaison hydrogène|liaisons hydrogène]])) entre deux segments macromoléculaires contigus sans affecter les [[liaison covalente|liaisons covalentes]] [[Caténation|caténaires]]<ref>[[wikt:caténaire|Caténaire]] : relatif à la [[chaîne principale]] de la macromolécule.</ref>. Ce mécanisme est ''réversible'' (le liquide visqueux se solidifie par refroidissement car les chaînes se rapprochent, créant un [[retrait plastique|retrait]] plus ou moins prononcé) : la matière est ''thermoplastique''. Les matériaux semi-cristallins montrent un retrait général<ref>Retrait (« immédiat », se produisant lors du moulage et durant (environ) les deux heures suivantes) plus post-retrait (différé, se produisant sur plusieurs mois).</ref> supérieur à celui des amorphes<ref>Les renforts (tels la [[fibre de verre]]) et les [[charge (substance)|charges]] ([[craie]], [[talc]]{{etc.}}) améliorent la tenue thermique et diminuent le retrait (c'est-à-dire amélioration de la stabilité dimensionnelle).</ref>.
-La [[température de transition vitreuse]] (T{{ind|v}}) correspond à la rupture des (peu nombreuses) liaisons faibles intercaténaires dans la phase amorphe. Elle est toujours inférieure à la [[température de fusion]] (T{{ind|f}}) qui correspond à la disparition des (nombreuses) liaisons faibles intercaténairerareraze dans la phase cristalline.
+La [[température de transition vitreuse]] (T{{ind|v}}) correspond à la rupture des (peu nombreuses) liaisons faibles intercaténaires dans la phase amorphe. Elle est toujours inférieure à la [[température de fusion]] (T{{ind|f}}) qui correspond à la disparition des (nombreuses) liaisons faibles intercaténaires dans la phase cristalline.
 === Applications ===
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 [[Fichier:Lace extrusion.jpg|vignette|[[Extrusion d'un plastique|Extrusion]] de cordons de [[Mastic (matériau)|mastic]] polymère]]
 [[Fichier:Hot plate.jpg|vignette|Ramollissement (pour [[Échantillon (matière)|échantillonnage]]) d'une plaque de matériau polymère [[Moulage par injection|injecté]]]]
-Le cycle de ramollissement par chauffage et de solidification par refroidissement peut être répété plus ou moins indéfiniment. Ce cycle représente un avantage considérable puisqu'il est à la base de la plupart des techniques de [[Mise en forme d'un matériau|transformation de ces matériaux]]. Ce phénomène représente toutefois un inconvénient, parce que cela signifie que les propriétés des matières thermoplastiques dépendent de la température.<br />
+Le cycle de ramollissement par chauffage et de [[solidification]] par refroidissement peut être répété plus ou moins indéfiniment. Ce cycle représente un avantage considérable puisqu'il est à la base de la plupart des techniques de [[Mise en forme d'un matériau|transformation de ces matériaux]]. Ce phénomène représente toutefois un inconvénient, parce que cela signifie que les propriétés des matières thermoplastiques dépendent de la température.<br />
 Le [[calandrage]], l'[[extrusion]] et le [[moulage par injection]] sont les techniques de [[plasturgie|transformation]] typiques des [[polymère]]s thermoplastiques. Le principal mode de transformation des matériaux thermoplastiques ''techniques'' est l'[[Injection d'un plastique|injection]].<br />
 Les polymères avec une structure amorphe et une masse molaire élevée sont préférés pour l'extrusion. Par contre, les polymères amorphes de faible masse molaire sont de bons candidats pour l'injection.
-L'[[acétate de cellulose]], de sigle CA, résulte de la modification chimique (par [[acétylation]]) de la [[cellulose]]<ref>Les chaînes moléculaires ne sont pas dégradées lors de la transformation.</ref>. Ce polymère artificiel connaît, depuis les [[années 1920]], une importance économique certaine. La principale application de ce dérivé cellulosique thermoplastique concerne la fabrication de [[fibre textile|fibres textiles]] et de [[film étirable|films]].
+L'[[acétate de cellulose]], de [[sigle]] CA, résulte de la modification chimique (par [[acétylation]]) de la [[cellulose]]<ref>Les chaînes moléculaires ne sont pas dégradées lors de la transformation.</ref>. Ce polymère artificiel connaît, depuis les [[années 1920]], une importance économique certaine. La principale application de ce dérivé cellulosique thermoplastique concerne la fabrication de [[fibre textile|fibres textiles]] et de [[film étirable|films]].
 Au cours de la fabrication des [[fil textile|fils]] et [[fibre synthétique|fibres synthétiques]], on peut, après l'[[extrusion]] au travers d'une [[filière (fabrication)|filière]] de [[filage textile|filage]], procéder à un étirage mécanique ''uniaxial'' du polymère à l'état solide, à une température inférieure à celle de la fusion des zones cristallines. L'étirage des monofilaments crée une [[Cristallogenèse|cristallisation]]. Les filaments sont étirés en flux continu de 300 à 500 % la longueur initiale par des cylindres. Cette opération permet de renforcer la [[cohésion]] du système macromoléculaire, ce qui décuple la résistance mécanique. Les principaux polymères qui utilisent ce procédé sont les [[polyoléfine]]s (PE et PP), les [[polyamide]]s (PA) et le [[Polytéréphtalate d'éthylène|poly(téréphtalate d'éthylène)]] (PET) (le « [[polyester]] »).<br />
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 * le styrène-butadiène (SBS), un copolymère à trois blocs, est un [[élastomère thermoplastique]] (TPE, en anglais) et donc recyclable. Il est employé dans tous les domaines d'utilisation des [[élastomère]]s. La [[mise en forme d'un matériau|mise en forme]] s'effectue au moyen des techniques habituellement réservées aux polymères thermoplastiques. Le SBS est par ailleurs utilisé comme [[Rugosité et adhésion|adhésif « sensible à la pression »]].
-Les [[Mélange de polymères|mélanges de polymères]] (mélanges « polymère-polymère ») thermoplastiques – [[polycarbonate|PC]]/[[acrylonitrile butadiène styrène|ABS]], [[Polyaryléther|PPO]]/PS ([[Noryl]]), PP/[[EPDM]]{{etc.}} – sont des mélanges mécaniques de polymères (amorphes ou semi-cristallins). Des agents compatibilisants sont employés. L'association de polymères permet d'obtenir un mélange dont les caractéristiques sont hybrides aux polymères qui le constituent.
+Les [[Mélange de polymères|mélanges de polymères]] (mélanges « polymère-polymère ») thermoplastiques – [[polycarbonate|PC]]/[[acrylonitrile butadiène styrène|ABS]], [[Polyaryléther|PPO]]/PS ([[Noryl]]), PP/[[EPDM]]{{etc.}} – sont des mélanges mécaniques de polymères (amorphes ou semi-cristallins). Des agents compatibilisants sont employés. L'association de polymères permet d'obtenir un mélange dont les caractéristiques sont hybrides aux polymères qui le constituent.
 === Économie ===