vignette|Fibres de polyester observées par microscopie électronique à balayage. vignette|La fabrication d'une éolienne fait intervenir le moulage de composites résines/renforts.
Les polymères (étymologie : du grec polus, plusieurs, et meros, partie) constituent une classe de matériaux. D'un point de vue chimique, un polymère est une substance composée de macromolécules et issue de molécules de faible masse moléculaireVoir les définitions du glossaire IUPAC : et , et leurs adaptations en langue française dans le JORF du mars 2002 : Termes généraux de la chimie .. Un polymère est caractérisé par le degré de polymérisation. Les polymères d'origine biochimique sont souvent appelés « fibres ».
Les polymères les plus connus sont : les fibres naturelles : les protéines qui sont des polymères d'acides aminés, les acides nucléiques : ADN et ARN sont des polymères de nucléotides, les fibres de polyholoside (glucides) : la cellulose : bois, papier, textiles naturels (chanvre, lin, coton), glucides complexes : amidon, glycogène, et d'autres fibres, les fibres protéiques : collagène, que l'on retrouve dans le cuir, la kératine que l'on retrouve dans la laine ; les matières plastiques ; les caoutchoucs naturels (latex) et synthétiques ; les colles ; les peintures ; les résines.
Ils sont très utilisés pour les matrices des matériaux composites.
Ils ont les propriétés générales suivantes : ce sont des matériaux « légers », ils ont une masse volumique faible (en général inférieure à , soit une densité par rapport à l'eau inférieure à 1,5) ; ils sont en général souples, les polymères thermoplastiques ont un module d'Young inférieur à environ , comparé à environ pour les bétons, pour l'aluminium et pour l'acier ; ils ne sont stables qu'à des températures modérées. La plupart des polymères thermoplastiques se ramollissent ou fondent à des températures comprises entre et ; un polymère est dit « thermostable » s'il résiste à durant quelques instants, la plupart des polymères se dégradent à des températures supérieures ; ce sont des isolants électriques et thermiques, sauf cas particuliers. Les propriétés sont déterminées par : la nature chimique des macromolécules, et en particulier des liaisons qui peuvent s'établir entre les atomes de la chaîne et des chaînes voisines ; les liaisons interatomiques peuvent être souples ou rigides, faibles ou fortes ; la « forme » de la macromolécule : il peut s'agir d'une chaîne linéaire longue ou courte, ou bien d'une structure ramifiée, réticulée. Les macromolécules peuvent se placer au hasard ou bien sont alignées. Elles peuvent s'imbriquer pour former des cristallites ; la formulation (nature, taux des ingrédients) : outre les macromolécules, on introduit divers constituants (charge éventuellement renforçante, plastifiant, antioxydant, durcisseur, système de vulcanisation pour un élastomère, agent anti-ozonant, ignifugeant, colorant, déshydratant, agent de mise en œuvre, conducteur électrique).
Les polymères de synthèse sont devenus l'élément essentiel d'un nombre très important d'objets de la vie courante, dans lesquels ils ont souvent remplacé les substances naturelles. Ils sont présents dans de nombreux domaines industriels. Un domaine émergent important se concentre désormais sur les polymères supramoléculaires formés par des liaisons non-covalentes.
Il existe une corrélation étroite entre le produit national brut (PNB) d'un pays et sa consommation de polymèresJean-Pierre Mercier, Gérald Zambelli, Wilfried Kurz, « Introduction à la science des matériaux », PPUR, , 1999.
Historique Les polymères naturels ont été parmi les premiers matériaux utilisés par l'Homme : bois et fibres végétales, cuir, tendons d'animaux, laine
La notion de macromolécule n'est apparue que tardivement dans l'histoire de la chimie. Bien que présagée par Wilhelm Eduard Weber ou encore Henri Braconnot au début du , de nombreux chercheurs ne voient là que des agrégats ou micelles. Le terme « polymère » est utilisé pour la première fois en 1866 par Marcellin Berthelot. La vulcanisation du caoutchouc en 1844 et la production de la Bakélite en 1910 figurent parmi les premières applications industrielles. Mais il faut attendre les années 1920-1930 pour que l'idée de macromolécule soit acceptée, notamment grâce aux travaux d'Hermann Staudinger.
Le développement industriel consécutif de la science macromoléculaire a été accéléré ensuite par la Seconde Guerre mondiale. Les États-Unis ont été privés lors de leur entrée en guerre de leur approvisionnement en caoutchouc naturel en provenance d'Asie du Sud-Est. Ils ont alors lancé un immense programme de recherche visant à trouver des substituts de synthèse.
Procédés de mise en œuvre Pour répondre à toutes les exigences en matière de formes et de cadences, plusieurs méthodes de mise en forme des matériaux polymères ont été développées, dont : extrusion au moyen d'une filière : procédé continu pour fabriquer des profilés complexes, plaques, feuilles, films, cadence de production élevée ; une variante est la coextrusion ; filage : souvent à partir du polymère à l'état fondu ; obtention de fibres textiles (marques Tergal, Térylène , Dacron, nylon, Rilsan, Orlon, lycra, Tyvek, Dyneema, Kevlar) ; injection : grande variété de pièces, bonne précision et bon aspect de surface, cadence élevée (éléments d'appareils ménagers, engrenages, pompes) ; moulage par soufflage : procédé discontinu pour fabriquer des corps creux (bouteilles, flacons) ; extrusion-soufflage, étirage-soufflage ; extrusion-gonflage : élaboration de films, sacs, à la différence de l'extrusion-soufflage, ce procédé n'utilise pas de moule ; rotomoulage : pièce fermée, pouvant être de très grandes dimensions (citernes, jouets, ballons) ; thermoformage : convient très bien pour des pièces de grande surface et de faible épaisseur (emballages, pièces pour l'automobile et le bâtiment, baignoires) ; moulage par compression ou par compression-transfert : procédés applicables aux résines thermodurcissables prépolymérisées (partiellement polymérisées) (phénoplastes, aminoplastes, polyesters insaturés).
Concernant les plastiques renforcés, une quinzaine de procédés de mise en œuvre est de nos jours disponible (pultrusion…).
Galerie
Exemples Polymères naturels Polysaccharides : cellulose et hémicelluloses (bois, fibres végétales), amylose et amylopectine (amidon), glycogène, pullulane, chitine (cuticule d'arthropodes et paroi d'eumycètes), mannanes, galactanes, fructanes Glycosaminoglycanes Lignine (bois) Acides nucléiques : ADN et ARN Scléroprotéines : kératines (phanères), collagènes, élastines, conchyoline, soie Polyisoprénoïdes (caoutchouc naturel) Polyhydroxyalkanoates
Polymères artificiels Cellulosiques : acétate de cellulose (CA), nitrocellulose
Polymères synthétiques vignette|Formule de quelques grands polymères industrielsLe PA-6 (polycaprolactame) appartient à la famille des polymères thermoplastiques techniques (ceux-ci possèdent des caractéristiques mécaniques élevées et sont très onéreux).. Polyoléfines, dont les polymères de grande consommation polyéthylène (PE) et polypropylène (PP). Ce dernier est un polymère de synthèse très important. Vinyliques : polymère de grande consommation poly(chlorure de vinyle) (PVC), poly(chlorure de vinyle) surchloré (PVC-C) (chloropolymères), etc. ; poly(acétate de vinyle) (PVAC) ; alcool polyvinylique (PVAL) Styréniques : polymères de grande consommation ; Polyesters saturés : poly(téréphtalate d'éthylène) (PET) ; poly(téréphtalate de butylène) (PBT) ; poly(naphtalate d'éthylène) (PEN) ou insaturés (UP) Polyamides (PA) : PA 6, PA 6-6, PA 11, PA 12, PA 4-6 Polyuréthanes (PUR) saturés ou réticulés Polycarbonates (PC) Acryliques : poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) ; polyacrylonitrile (PAN) Aminoplastes Phénoplastes Polyacétals : polyoxyméthylène (POM)… Silicones (SI) Polyimides (PI) Halogénés Chlorés : poly(chlorure de vinyle) (PVC) ; poly(chlorure de vinyle) surchloré (PVC-C) ; poly(chlorure de vinylidène) (PVDC) Fluorés : polytétrafluoroéthylène (PTFE), plus connu sous le nom de Téflon ; polyfluorure de vinyle (PVF) ; polyfluorure de vinylidène (PVDF) ; éthylène tétrafluoroéthylène (ETFE) ; perfluoroalkoxy (PFA) Polydiméthylsiloxane (PDMS) Époxydes (EP) Thermostables : polyétheréthercétone (PEEK) ; polymère à cristaux liquides (LCP) Élastomères Élastomères thermoplastiques (TPE) : copolymères séquencésÀ la différence des copolymères homogènes (statistiques ou alternés), les polymères séquencés (polymères blocs) présentent deux températures de transition vitreuse, identiques à celles mesurées sur les homopolymères correspondants. styrène-butadiène-styrène (SBS), polyuréthanes thermoplastiques (TPU) Polymères électroactifs (PEA)
Mélanges polymère-polymère
Les mélanges polymère-polymère thermoplastiques (en anglais, polyblend ; « alliage » est un terme impropre) sont des mélanges mécaniques intimes de deux (ou plusieurs) polymères différents et compatibles. À la différence des copolymères, il ne se forme pas de liaison chimique. Exemples : PPO/PS : le PS apporte la facilité de mise en œuvre et réduit le coût. Voir Noryl ; PP/EPDM : élastomère thermoplastique ; l'EPDM apporte la tenue aux chocs à froid ; PC/ABS : amélioration de la rigidité, de la tenue aux chocs et au feu (marques Bayblend, Pulse, Anjablend A).
Notion de macromolécule vignette|Catabolisme des nutriments en monomères dans la cellule. Anabolisme des monomères en macromolécules utilisées par la cellule. Un polymère tridimensionnel est constitué d'une seule macromolécule qui se développe dans les trois directions de l'espaceBulletin de l'union des physiciens, 790-791 (consacré aux matériaux), janvier - février 1997, § Macromolécules ou polymères tridimensionnels, 94, Voir l'article . ; cette macromolécule tridimensionnelle atteint des dimensions macroscopiques ( un phénoplaste).
Une macromolécule est une molécule de masse moléculaire élevée, généralement constituée par la répétition d'atomes ou de groupes d'atomes, appelés unités constitutives et dérivant, de fait ou conceptuellement : l'alcool polyvinylique, de formule -(CH2CHOH)n-, n'est pas obtenu par polymérisation de l'énol de formule H2C=CHOH (éthénol), qui est instable ; la molécule d'éthénol est la molécule monomère conceptuelle, mais pas réelle ; cf. Traité des Matériaux, 13, Chimie des polymères, J.-P. Mercier, E. Maréchal, PPUR, 1996 382, 383 (E. Maréchal a contribué à la préparation du IUPAC : Glossaire des termes de base en science des polymères (Recommandations 1996)). , choisi parmi les composés inorganiques : dans le cas des silicones (composés macromoléculaires ou oligomères) de formule générale -(R2SiO)n-, les molécules monomères conceptuelles R2Si=O n'existent pas (elles n'ont jamais pu être isolées) ; source : Chimie inorganique, Huheey. Keiter & Keiter, De Boeck Université, 1996, 749 ; voir le titre « Fabrication » dans l'article « Silicone ». : un certain nombre de polymères sont obtenus par réaction entre deux monomères polyfonctionnels, par exemple l'hexaméthylènediamine H2N-(CH2)6-NH2 et l'acide adipique HOOC-(CH2)4-COOH. La réaction s'effectue par étapes ; la première étape conduit à un dimère de formule H2N-(CH2)6-NH-CO-(CH2)4-COOH (>N-CO- est le groupe caractéristique des amides), selon l'équation : H2N-(CH2)6-NH2 + HOOC-(CH2)4-COOH → H2N-(CH2)6-NH-CO-(CH2)4-COOH + H2O. Ce dimère, qui porte une fonction amine primaire -NH2 à une extrémité et une fonction acide carboxylique -COOH à l'autre, peut être vu comme un monomère implicite, dont la polymérisation conduit au polyamide 6-6., de molécules de faible masse moléculaire.
Dans de nombreux cas, une molécule peut être considérée comme ayant une masse moléculaire élevée lorsque l'addition ou la suppression d'une ou de quelques unités n'a qu'un effet négligeable sur les propriétés moléculaires.