Dégradation d'un polymère
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La plupart des polymères ou des matériaux polymères, de par leur nature organique, peuvent être considérés comme « vivants » car sensibles à leur environnement et sujets au vieillissement. La dégradation d'un polymère est le changement, généralement non désiré, de ses propriétés physiques et mécaniques, causé par des facteurs environnementaux agressifs (produits chimiques, lumière ultraviolette, humidité, etc.). Ensemble, ils agissent souvent en synergie. Une température élevée induit une dégradation thermique, et accélère souvent les effets des facteurs de dégradation. Cette dernière peut rendre le matériau inutilisable.
Présentation
La plupart des dégradations (aussi appelées vieillissement, endommagements, altérations, détériorations) par les intempéries de quelques matériaux polymères organiques (mobilier en plastique, revêtements tels que peintures et vernis, films, etc.) sont causées par l'oxydation et l'exposition aux rayons UV de faible longueur d'onde, à la chaleur et à l'humidité (surtout la rosée, et la pluie).
Certains élastomères insaturés sont très sensibles à l'ozonolyse, qui se traduit par la formation de craquelures (en).
Pour un type de copolymère donné, la proportion des monomères modifie les tenues en température. La résistance à la chaleur d'un type d'élastomère donné diminue avec son taux d'insaturation ; ainsi, des grades à faible taux d'insaturation seront choisis. Par ailleurs, la tenue à la chaleur d'un élastomère vulcanisé au soufre diminue avec la longueur des ponts sulfure, car l'énergie de la liaison S-S est plus faible que celle de la liaison C-S.
La dégradation comprend la diminution de masse molaire par scission de chaînes (exemples : homolyse, effet mécanique du cisaillement sur les chaînes lors du mélangeage et de la mise en forme), la décomposition chimique, la thermolyse, l'hydrolyse, la siccativation, la perte de résistance mécanique, d'élasticité, etc.
Les défauts observés peuvent être le changement de couleur (exemple : jaunissement causé par la solarisation), la diminution du gloss, le farinage, la friabilité, la fragilisation, le délaminage, la déformation (exemple : gonflement en présence d'un solvant, d'un hydrocarbure ou d'une huile) et l'exsudation par migration en surface de produits, tels un plastifiant incompatible.
Prévention ou retardement
Les polymères thermoplastiques se dégradent en général à des températures supérieures à une centaine de degrés Celsius. La dégradation d'un polymère thermodurcissable nécessite plus d'énergie (pyrolyse, par exemple). La protection d'un polymère insaturé (exemple : caoutchouc naturel, à insaturation élevée), vis-à-vis notamment de l'ozone et de la chaleur, est indispensable. En formulation, l'incorporation d'additifs stabilisants (en), tels un antioxydant, un anti-UV (en), un antiozonant (en), un dessiccant[1], et de charges spécifiques (stabilisants thermiques, agents anti-fatigue), empêche ou retarde la dégradation. Certains antidégradants sont non alimentaires.
Les impuretés sont défavorables au vieillisement. Par ailleurs, un inhibiteur peut être ajouté à un pré-polymère, pour augmenter sa stabilité au stockage.
Étude
Au laboratoire, certaines enceintes simulent plusieurs environnements, avec la possibilité de soumettre des cycles aux échantillons[2].
Certains essais climatiques sont réalisés en extérieur ; un exemple typique est celui de la dégradation de plaques métalliques peintes, disposées en rack et exposées en bord de mer pour faire intervenir la corrosion atmosphérique.
Galerie
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Enceinte de corrosion. -
Enceinte pour tester le vieillissement climatique (en) : lumière UV, humidité et chaleur contrôlées. -
Vérification, par des mesures sur éprouvettes, des propriétés mécaniques d'un adhésif, avant/après vieillissement accéléré.
Utilité
Les réactions de dégradation sont en général non désirées. Dans certains cas, elles seront favorisées :
- pour la biodégradation ;
- pour la valorisation des déchets en matière plastique ;
- pour faciliter la détermination de structure :
- pour produire des composés plus solubles ;
- en déformulation, les composés chimiques identifiés dans un pyrolysat de polymère permettent de connaître la nature du polymère (mais pas le grade).
Notes et références
- Aussi appelé absorbeur d'humidité ou agent déshydratant. Exemple : oxyde de calcium.
- Exemple : essai de vieillissement ECC1 (Essai de Corrosion Cyclique 1) de Renault : à 35 °C, atmosphère saline, atmosphère humide (90 % HR), atmosphère sèche.
