« Température de transition vitreuse » : différence entre les versions
Contenu supprimé Contenu ajouté
LiveRC : Révocation des modifications de 213.41.225.25 (retour à la dernière version de Salebot) |
Aucun résumé des modifications |
||
Ligne 1 : | Ligne 1 : | ||
{{Article connexe|Transition vitreuse}} |
{{Article connexe|Transition vitreuse}} |
||
[[Fichier:Vulcanized polybutadiene-DMA.png|vignette|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<sub>v</sub>, 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). |
|||
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. |
|||
{{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}} « ''{{Lang|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/ ''{{Lang|en|texte=Mystery property helps tailor new extender oils}}''], sur le site Nynas AB. Consulté le 14 octobre 2012.</ref>}} |
|||
== 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. |
|||
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. |
|||
Pour les verres minéraux (ou inorganiques) tels le [[Verre de quartz|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]]. |
|||
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 thermoplastiques ''[[Polymère semi-cristallin|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<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. |
|||
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. |
|||
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. |
|||
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. |
|||
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 T<sub>v</sub> d'un polymère peut être diminuée par l'ajout de [[plastifiant]]s. |
|||
== Paramètres influençant T<sub>v</sub> == |
|||
En effet, elle dépend de : |
|||
* 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 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 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 = http://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<sub>v</sub> augmente avec P à des valeurs variant de 2 à {{unité|44|°C/{{formatnum:1000}} atm}} (soit 2{{x10|-8}} à {{unité|4.4{{x10|-7}}|K||Pa|-1}}). |
|||
== Mesure de T<sub>v</sub> == |
|||
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. |
|||
La température de transition vitreuse d'un matériau peut être mesurée par l'analyse thermique différentielle, ou méthode [[Calorimétrie différentielle à balayage|DSC]] (''{{Lang|en|texte=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 < T<sub>v</sub>) 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 [[Ordre de grandeur|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. |
|||
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. |
|||
{|class="wikitable centre" style="text-align:center" |
{|class="wikitable centre" style="text-align:center" |
Version du 24 mars 2015 à 10:55
Polymère | Tv (°C) (valeur moyenne) |
---|---|
Polydiméthylsiloxane (PDMS) | -120[1] |
1,4-cis-polybutadiène (BR) | -112[1] |
Polyéthylène (PE) | -110 (transition γ) |
Caoutchouc naturel (NR) | -73[1] |
Polyisobutylène (PIB) | -68[1] |
Styrène-butadiène (SBR) | -55 |
Néoprène (polychloroprène, CR) | -50[1] |
1,4-trans-polybutadiène (BR) | -20[1] |
1,2-polybutadiène (BR) | -12[1] |
Polypropylène isotactique (PPi) | -10 à 0[1] |
Poly(acétate de vinyle) (PVA ou PVAc) | 32[1] |
Polyamide 11 | 46[1] |
Polyamide 6.10 | 50[1] |
Polyméthylpentène (PMP) | 50[1] |
Polyamide 6 | 52 |
Polyamide 12 | 55 |
Polyamide 6.6 | 57 |
Cire naturelle | 60 |
Poly(téréphtalate d'éthylène) (PET) | 69[1] |
Polyamide 4.6 | 80 |
Poly(chlorure de vinyle) (PVC) | 80[1] |
Poly(alcool vinylique) (PVAl) | 85[1] |
Polystyrène (PS) | 100[1] |
Polyacrylonitrile (PAN) | 105[1] |
Poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) atactique | 108[1] |
Polycarbonate (PC) | 150[1] |
Notes et références
- G. Beauhaire, Analyse calorimétrique et thermogravimétrique appliquée aux polymères industriels, p. E9, SNIAS Suresnes, conf. SFIP, 17 novembre 1983, Paris.
Voir aussi
Article connexe
Lien externe
- [PDF] (en) Jeppe C. Dyre, Colloquium: The glass transition and elastic models of glass-forming liquids, publié le 29 septembre 2006 (gratuit). Consulté le 12 juillet 2012.