Etat Solide Introduction

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IUPAC
Polymères à l'état solide
Etat solide
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IUPAC
PLAN GENERAL
1. Introduction générale
2. État vitreux
3. État cristallin
4. État caoutchoutique. Élastomères
Etat solide
2
IUPAC
Ouvrages de référence
• Initiation à la chimie et à la physico-chimie des
polymères GFP
Volumes 2, 8 (méthodes de caractérisation structurale),
10 et 17
• Introduction to polymers
R.J. Young P.A. Lovell
Chapman & Hall
• Traité des matériaux
Presses polytechniques et universitaires romandes
Volumes 1 et 14
Etat solide
3
IUPAC
Ouvrages de référence (suite)
• De la macromolécule au matériau polymère
J. L Halary, F. Lauprêtre
Belin
• Voyage au cœur de la matière plastique
A. Boudet
CNRS Éditions
• Physique des polymères tome I
P. Combette, I. Ernoult
Hermann Éditeurs
Etat solide
4
IUPAC
Ouvrages de référence (suite)
• Introduction à la physique des polymères
S. Etienne, L. David
Dunod
• Introduction to Physical Polymer Science
L.H. Sperling
Wiley 2006
• Atlas of polymer morphology
A. E. Woodward
C. Hanser Publishers 1989
Etat solide
5
IUPAC
1. Introduction générale
1.1. Matériaux
1.2. Considérations générales sur l'état solide
1.3. État caoutchoutique
1.4. Matériaux semicristallins
1.5. Systèmes mono / multiphasés
1. Introduction générale
6
IUPAC
1. Introduction générale
1.1. Matériaux
Définition :
matériau
→ matière + fonction
Matériau = matière qui sert à fabriquer les objets utiles
à l'humanité
1. Introduction générale
7
IUPAC
Remarque : ne pas confondre le matériau et l'outil
cuir
fibre végétale
bois
pierre
os
corne
1. Introduction générale
8
IUPAC
Surtout à l'état solide (liquide ou gaz pour mise en forme)
Exceptions : • liquides dans les thermomètres
• cristaux liquides (afficheurs)
• gaz dans les tubes lumineux ("néon")
•
1. Introduction générale
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IUPAC
1.2. Considérations générales sur l'état solide
solidification
→
Solide
Liquide
T
→
liquéfaction
Phases condensées
(molécules au contact)
1. Introduction générale
10
IUPAC
Mobilité
Solide
Liquide
faible
(vibrations)
élevée
voisinage fixe
renouvellement
du voisinage
garde sa forme
coule
(échelle moléculaire)
1. Introduction générale
11
IUPAC
Solide
Ordonné
Ordre
Liquide
/ désordonné
(amorphe)
désordonné
(ordre local)
cristal
verre
(moléculaire)
ordre à grande
distance
ordre local
ordre périodique
1. Introduction générale
12
IUPAC
Fonctions de distribution radiale :
probabilité de trouver une molécule à la distance d
Gaz
P(d)
1
0
d0
dm
1. Introduction générale
d
13
IUPAC
Cristal
P(d)
1
0
a
a 2 a 3
d
Liquide ou
verre
P(d)
1
0
d
a
1. Introduction générale
14
IUPAC
CRISTAL :
fusion
cristal
Tf
liquide
T
Tc
cristallisation
VERRE :
liquéfaction
verre
Tg
liquide
T
vitrification
Transition vitreuse
1. Introduction générale
15
IUPAC
Comparaison cristal / verre
Cristal
Verre
ordre
désordre
anisotrope
isotrope
densité cristal > densité verre
cohésion cristal > cohésion verre
1. Introduction générale
16
IUPAC
1. Introduction générale
17
IUPAC
1. Introduction générale
18
Ordre et désordre dans les polymères révélés par
diffraction des rayons X
Polymère (semi)cristallin
IUPAC
Polymère amorphe
1. Introduction générale
19
IUPAC
Comparaison fusion - cristallisation / transition vitreuse
• Température :
Fusion / Cristallisation : Tf / Tc → bien définie (0,1 °C)
Transition vitreuse : Tg → mal définie (5 °C)
• Thermique :
Fusion → endothermique
Cristallisation → exothermique
Transition vitreuse → changement de capacité calorifique
• Volume :
figure
1. Introduction générale
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IUPAC
V
liquide
liquide surfondu
verre
cristal
Tg' Tg
Tc
1. Introduction générale
T
21
IUPAC
1.3. État caoutchoutique
Particularité des matériaux macromoléculaires
verre
état caoutchoutique
liquide vrai
T
Tg
zone d'écoulement
État caoutchoutique
mobilité locale du liquide
absence d'écoulement
enchevêtrements
1. Introduction générale
22
IUPAC
T
Liquide visqueux
État caoutchoutique
Transition vitreuse
Solide vitreux
M
Me
1. Introduction générale
23
IUPAC
1.4. Matériaux semicristallins
cristal et verre cœxistent
cristal
+ liquide
cristal
+ verre
liquide
T
Tf
Tg
Tg < Tf
cohésion verre < cohésion cristal
Exemple : PE
Tg = -100°C
Tf = + 130°C
1. Introduction générale
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IUPAC
Paramètre fondamental dans les matériaux semicristallins :
taux de cristallinité 
défini en masse ou en volume
 a une très forte influence sur les propriétés
Exemples : transparence, propriétés mécaniques
1. Introduction générale
25
IUPAC
Contrainte (kg/m2)
L
300
T
200
200
L
PEHD
T
PEBD
100
100
500
1000
500
1000
Allongement (%)
1. Introduction générale
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IUPAC
Gamme de variation de  :
Sur l'ensemble des polymères :
0 <  (%) < 100
toujours inférieur à 100 %
• Certains polymères ne peuvent pas cristalliser :  = 0
transparents, ex. PMMA, PS, PC
• Certains polymères peuvent cristalliser :
 dépend des conditions de cristallisation
refroidissement rapide  faible
refroidissement lent  élevé
1. Introduction générale
ex. PET
27
IUPAC
1.5. Systèmes mono / multiphasés
• Matériaux polymères monophasés
Polymère pur + additifs de formulation = matière
plastique
homopolymère
copolymère statistique
• Matériaux polymères multiphasés
polymère - polymère
Systèmes composites
polymère – phase minérale
1. Introduction générale
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IUPAC
Remarque :
non réticulé
thermoplastique
réticulé
thermodurci
polymère
1. Introduction générale
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