« Thermoplastique » : différence entre les versions

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Une matière thermoplastique désigne une matière qui se ramollit (parfois on observe une fusion franche) d'une façon répétée lorsqu'elle est chauffée au-dessus d'une certaine température, mais qui, au-dessous, redevient dure. Une telle matière conservera donc toujours de manière réversible sa thermoplasticité initiale. Cette qualité rend le matériau thermoplastique potentiellement recyclable (après broyage). Cela implique que la matière ramollie ne soit pas thermiquement dégradée et que les contraintes mécaniques de cisaillement introduites par un 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).

L'état de ramollissement permet leur déformation sous l'action de contraintes mécaniques, cette déformation étant figée par le refroidissement.

Polymères thermoplastiques

Généralités

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

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

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

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

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

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

Notes et références

↑ 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

[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.

[1]

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 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 ==
-== Je te baize sur Wikiperial.com  ==
 === Généralités ===
 Le ''[[degré de polymérisation]]'' (DP ou ''n'', directement proportionnel à la [[masse molaire]] du polymère) conditionne d'une part l'aptitude à la [[plasturgie|mise en œuvre]] sur machines (qui dépend de la [[viscosité]]), et d'autre part les propriétés mécaniques et thermiques du [[produit fini]]<ref>L'[[essai de traction]] est le moyen le plus simple de [[caractérisation d'un matériau|caractérisation]] de la [[résistance des matériaux|résistance mécanique]] d'un polymère.</ref>.
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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>.
-=== gk gjcfoghcfoghcfog ===
+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 ===
 [[Fichier:Some important polymers.png|vignette|Formule de quelques grands polymères industriels<ref>Le PA-6 (poly[[caprolactame]]) appartient à la famille des polymères thermoplastiques techniques (ceux-ci possèdent des caractéristiques mécaniques élevées et sont très onéreux).</ref>]]
 [[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 />
-bite dans ton cul
+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 />
-<nowiki/>{{Portail|chimie|matériaux}}
+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]].
+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 />
+Ce phénomène est également mis à profit lors de l'élaboration de films. Un étirage ''biaxial'' (selon deux directions généralement [[orthogonal]]es) 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 [[revêtement (technique)|revêtements]] et [[adhésif]]s.
+La ''[[Copolymère|copolymérisation]]'' est une opération très souvent employée dans le domaine des matières thermoplastiques pour améliorer certaines propriétés. Par exemple, dans la famille des [[styrène|styréniques]] :
+* le copolymère séquencé (copolymère ''bloc'') [[styrène-butadiène]] (SBR) ou « [[polystyrène]]-choc » a été mis au point pour augmenter la [[résilience (physique)|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 [[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.
+=== Économie ===
+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 [[thermodurcissable]]s en Europe de l'Ouest<ref>Revue ''Plast Europe'', 2001.</ref>.
+La production des fibres synthétiques représente plus de la moitié de celle des fibres textiles de toute nature.
+Les [[polyéthylène basse densité|PEBD]]<ref>L'exemple typique de structure [[Chaîne latérale|ramifiée]] concerne le PEBD (« basse densité ») obtenu par polymérisation sous haute pression.</ref>, [[polyéthylène haute densité|PEHD]], PVC, PP et PS sont des polymères thermoplastiques [[Matière plastique de grande diffusion|de grande consommation]] de très bas prix. Ces cinq membres représentent plus de la moitié de la consommation totale des matières plastiques.
+Le [[polyétheréthercétone|poly(éther-éther-cétone de phénylène)]] (PEEK) est un [[thermostable]] (T{{ind|f}} ~{{tmp|335|°C}}) arrivé assez tardivement sur le marché. Ce polymère est dit ''spécial'' : il se distingue par un prix très élevé.
+== Polymères thermodurcissables ==
+Les polymères ''[[thermodurcissable]]s'' 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 [[Colle polyester|polyester insaturé]] [[Réaction chimique|réactif]], les [[résine (constituant)|résines]] [[aminoplaste]] et [[époxyde]], les élastomères [[Vulcanisation|vulcanisés]]{{etc.}}
+Une fois la transformation réalisée, les matériaux thermodurcissables sont typiquement rigides<ref>Une structure tridimensionnelle, qui ne permet pratiquement aucune rotation autour des liaisons, élève la rigidité moléculaire.</ref> et leurs propriétés mécaniques dépendent peu de la température.
+== Abus de langage ==
+Les mots thermoplastique et thermodurcissable sont des adjectifs. Ils sont parfois utilisés comme noms.
+== Notes et références ==
+{{Références}}
+== Articles connexes ==
+* [[Déformation plastique]]
+* [[Thermoformage]]
+* [[Température de transition vitreuse]] • [[Température de fusion]]
+* [[Bioplastique]]
+* [[Soudure plastique]]
+* [[Colle thermofusible]]
+* ''[[Melt flow index]]''
+* [[Valorisation des déchets en matière plastique]]
+{{Palette|Matériaux polymères}}
+{{Portail|chimie|matériaux}}
 [[Catégorie:Thermoplastique| ]]