Chimie organique
Chapitre 8 : Matériaux organiques
polymères
I ) Les polymères
1 ) Les macromolécules
Littéralement “grosses molécules” → masse
molaires élevées
Exemple :
Cellulose
2 ) Les polymères
Polymère : assemblage de monomères.
Utilisation
II ) Définitions structurales
1 ) Unités de répétition
Homopolymère : constitué d'un seul monomère.
Copolymère : comporte au moins deux monomères.
Problème : il est impossible de synthétiser des
macromolécules d'une seule longueur.
→ définition de grandeurs moyennes pour
caractériser le polymère étudié.
2 ) Degré moyen de polymérisation
Il s'agit du nombre moyen de monomères inclus
dans une chaîne.
On pose :
●
●
k le degré de polymérisation d'une chaîne
(nombre de monomères dans la chaîne)
Nk le nombre de chaînes de degré de
polymérisation k
∑ Nk k
̄ n=
DP
k
∑Nk
k
3 ) Masse molaire moyenne
On peut la définir de deux manières :
●
Masse molaire moyenne en nombre
∑ Nk Mk
̄=
M
k
∑Nk
∑ Nkk M0
k
̄=
M
∑Nk
k
●
∑Nkk
=M 0
k
Masse molaire moyenne en masse
∞
∑ Nk Mk²
M̄ w =
1
∞
∑ Nk Mk
1
k
∑ Nk
k
̄n
=M 0 DP
4 ) Indice de polymolécularité
On définit l’indice de polymolécularité qui
traduit la dispersion par rapport à une valeur
moyenne :
M̄ w
I p=
̄
M
Plus l'indice de polymolécularité est faible, et
plus un polymère a des propriétés mécaniques
intéressantes.
III ) Structure des chaînes de
polymères
1 ) Chaînes de copolymères
On distingue plusieurs types de copolymères selon
l’enchaînement des monomères.
Pour un copolymère constitué de 2 monomères A et
B:
Copolymère statistique :
copolymère alterné :
copolymère greffé :
copolymère à blocs :
Influence sur la structure
L'état physique microscopique diffère selon la
nature des copolymères :
●
●
matériau homogène pour statistique ou
alterné
matériau hétérogène pour greffé ou à blocs
2 ) Ramifications
3 ) Réticulation
Il s’agit de liaisons supplémentaires
(réticulations) entre chaînes linéaires ou
ramifiées déjà formées.
Exemple : vulcanisation du caoutchouc
IV ) Architecture des polymères
vyniliques
1 ) Isomérie de constitution
Soit un monomère vinylique R-CH=CH2.
Le carbone lié à R est dit tête et l'autre carbone
est dit queue.
L'enchaînement peut se faire de deux façons :
2 ) Stéréoisomérie de configuration
et tacticité
Soit un monomère vinylique R-CH=CH2.
Dans la chaîne, les groupements R peuvent se
placer tridimensionnellement :
●
●
Au hasard : polymère atactique
Régulièrement : polymère isotactique ou
syndiotactique
→ importance sur les propriétés
physicochimiques
V ) Conformation des chaînes de
polymères
1 ) Etude du butane
2 ) Etude d'une chaîne de
polymère
Il existe plusieurs conformations possibles :
●
Structure linéaire en « zig-zag »
Exemple : Kevlar
●
Pelote statistique
●
Structures ordonnées : hélices ou feuillets °
1,44 A
3,38 °
A
3,38 °
A
3,38 °
A
3,38 °
A
1,44 °
A
3 ) Polymères amorphes ou semicristallin
Polymères amorphes :
●
pas d'ordre à longue distance
●
désordonné
→ pelote statistique
Polymères semi-cristallins :
●
microdomaines ordonnés
(cristallites).
Exemple : sphérolite de PE
VI ) Transition vitreuse
1 ) Classification des polymères
Thermoplastiques : par chauffage, ils ramollissent
suffisamment pour être moulés et mis en forme sans
modification de leur structure chimique, et ceci de
manière réversible.
Thermodurcissables : une élévation de température
provoque le durcissement du matériau en lui conférant
sa structure définitive de façon irréversible.
Elastomères : polymères ayant des propriétés
élastiques réversibles (allongement réversible
important).
2 ) Notion de transition vitreuse
Quand on apporte de la chaleur à un solide
cristallin , il y a fusion à une température fixe Tfus.
Quand on apporte de la chaleur à un polymère
amorphe, on observe un ramollissement
important autour d’une température appelée
température de transition vitreuse Tg.
Pour T <Tg → état vitreux (le solide est dur et
cassant)
Pour T > Tg → état caoutchoutique (mou et
flexible).
Détermination de la température
de transition vitreuse
Mesure du volume massique du polymère
3 ) Polymères semi-cristallins
4 ) Facteurs influençant la
transition vitreuse
VII ) Propriétés mécaniques des
polymères
1 ) Module d’Young
On étudie le comportement d’un solide à l'aide
d'essais de traction.
On définit :
●
●
F
la contrainte σ= S
0
l −l 0
ε=
l'allongement relatif
l0
Définition du module d'Young
On définit le module d’Young E par le rapport
de la contrainte sur allongement relatif :
σ
E= ε
E est homogène à une pression et est exprimée
généralement en Pa, MPa ou GPa.
Il traduit la rigidité du matériau, c’est-à-dire la
résistance à la déformation.
Quelques valeurs du module d'Young
2 ) Evolution du module d’Young en
fonction de la température
Polymère amorphe :
Polymère semi-cristallin
Polymère cristallin