POLIMÈRE.

POLIMÈRE

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 macromolécule (molécule constituée de la répétition de nombreuses sous-unités).

Les polymères les plus connus sont :

• Les fibres naturelles :
  • fibres végétales (cellulose) : bois, papier, textiles naturels (chanvre, lin, coton), etc.,
  • fibres animales : cuir (collagène), soie et laine (kératine), etc. ;
  • protéines ;
• Les matières plastiques ;
• Les caoutchoucs naturels (latex) et artificiels ;
• 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 1 500 kg·m^-3, soit une densité par rapport à l'eau inférieure à 1,5) ;
• Ils sont en général souples, les polymères thermoplastiques ont un module de Young inférieur à environ 3 GPa, comparé à environ 20 GPa pour les bétons, 70 GPa pour l'aluminium et 200 GPa 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 100 °C et 250 °C ; un polymère est dit « thermostable » s'il résiste à 300 °C 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, etc.).

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.

Il existe une corrélation étroite entre le produit national brut (PNB) d'un pays et sa consommation de polymères.

Fibres de polyester observées au MEB

La fabrication d'une éolienne fait intervenir le moulage de composites résines/renforts.

Historique

Les polymères naturels ont été parmi les premiers matériaux utilisés par l'Homme : bois et fibres végétales, cuir, tendons d'animaux, laine, etc.

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 XIX^e siècle, de nombreux chercheurs ne voient là que des agrégats ou micelles. Le terme « polymère » est utilisé pour la première fois en 1866 par Marcellin Berthelot³. 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 termes 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, etc., 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 (sv), Dacron, nylon, Rilsan, Orlon, lycra, Tyvek, Dyneema, Kevlar, etc.) ;
• Injection : grande variété de pièces, bonne précision et bon aspect de surface, cadence élevée (éléments d'appareils ménagers, engrenages, pompes, etc.) ;
• moulage par soufflage : procédé discontinu pour fabriquer des corps creux (bouteilles, flacons, etc.),
  • extrusion-soufflage,
  • étirage-soufflage ;
• extrusion-gonflage : élaboration de films, sacs, etc., 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, etc.) ;
• thermoformage : convient très bien pour des pièces de grande surface et de faible épaisseur (emballages, pièces pour l'automobile et le bâtiment, baignoires, etc.) ;
• moulage par compression ou par compression-transfert : procédés applicables aux résines thermodurcissables prépolymérisées (partiellement polymérisées) (phénoplastes, aminoplastes, polyesters insaturés, etc.).

Concernant les plastiques renforcés, une quinzaine de procédés de mise en œuvre est de nos jours disponible (pultrusion…).