Généralités Etat amorphe et état cristallin

Dans ce chapitre quelques généralités sur les polymères et fibres semi-cristallins seront exposées. Le procédé de mise en forme des fibres synthétiques sera présenté, de la synthèse du polymère jusqu’au filage et l’étirage des fibres. Les propriétés générales des fibres PA66 et PET, ainsi que la gamme d’applications de ces fibres, seront indiquées. Les principaux modèles utilisés pour décrire la microstructure de ces matériaux seront développés. Enfin une approche bibliographique sur la fatigue de fibres thermoplastiques complétera ce chapitre. Le comportement des polymères à l’état solide – par opposition à l’état caoutchoutique ou encore visqueux – résulte des deux formes d’“organisations limites” que peuvent adopter les chaînes macromoléculaires, à savoir celles du cristal et du verre [FON94]. Dans un cristal, les chaînes de polymères sont organisées selon un ordre tridimensionnel tandis que, dans un verre, où seul un ordre courte distance prévaut, les chaînes macromoléculaires sont par essence à l’état amorphe. Tous les polymères ne se prêtent pas à la cristallisation : seules les chaînes caractérisées par une structure conformationnelle régulière et symétrique ou celles porteuses de groupes capables d’interactions intermoléculaires fortes (liaisons hydrogène), sont sujettes à former des zones cristallines. Les chaînes macromoléculaires s’assemblent dans ces zones cristallines selon le principe de l’encombrement minimal et de l’état énergétiquement le plus stable.

Les cristallites sont des entités qui se forment par refroidissement des polymères à l’état fondu. La structure lamellaire est là encore la caractéristique qui prévaut, mais, à la différence des monocristaux, ces cristallites sont de plus petites dimensions et surtout, jouxtent des régions amorphes. Cristallites et zones amorphes ne constituent pas toujours des entités isolables. On parle, dans ce cas, de polymères semi- cristallins. Les dimensions de ces cristallites sont de quelques dizaines de nanomètres. Leur proportion volumique peut être très élevée pour des échantillons hautement réguliers tels que le polypropylène isotactique et très faible – voire négligeable – pour des polymères ne présentant pas une grande régularité configurationnelle. Le taux de cristallinité de l’échantillon est défini à partir des mesures de la proportion relative des motifs unitaires entrant dans la constitution des cristallites et dépend de la méthode de mesure utilisée. Ce taux de cristallinité est influencé non seulement par la structure moléculaire de l’échantillon, mais aussi par les traitements thermiques qu’il a subis. L’influence du taux de cristallinité sur les propriétés physiques et mécaniques des polymères synthétiques est extrêmement importante. Enfin, une macromolécule ne pouvant jamais être entièrement régulière, à cause des extrémités de chaîne qui sont obligatoirement différentes du reste du polymère, on comprend alors qu’un polymère ne peut jamais être 100% cristallin [OUD94].

Les polymères thermoplastiques.

Les polymères thermoplastiques (aussi appelés thermoplastes) forment le groupe le plus important parmi les polymères synthétiques [OUD94]. Ils sont constitués de macromolécules de taille limitée, linéaires ou ramifiées. L’adjectif thermoplastique vient à l’origine du fait que ce type de polymère passe de l’état rigide à l’état malléable par une faible élévation de la température. Ce processus est théoriquement entièrement réversible, et peut donc être répété un grand nombre de fois sans modification de la structure et sans altération des propriétés. De ce fait, ces polymères sont faciles à mettre en œuvre et leur recyclage ne pose généralement pas de problèmes. Actuellement on regroupe sous le terme thermoplastique tous les polymères dont la cohésion latérale n’est assurée que par des liaisons secondaires (Van der Waals, hydrogène, etc.). De ce fait, ces polymères sont sensibles à la température, mais aussi aux solvants. 1.1.4 Concept de fibre. Une fibre est un filament fin et long de matière avec un diamètre généralement de l’ordre de quelques microns (7-30 µm) et avec un rapport longueur/diamètre entre cent et virtuellement infini pour les fibres continues [BUN96]. Les fibres sont l’une des formes les plus extraordinaires de la matière. Elles sont souvent beaucoup plus résistantes et plus rigides que le même matériau sous forme massive. Elles ont des propriétés spécifiques remarquables, par exemple pour une résistance mécanique donnée, un fil d’acier sera trois ou quatre fois plus lourd que la plupart des fibres de polymère. La finesse des fibres leur permet d’être tissées et drapées dans des formes complexes. Le textile, tissé ou non tissé, est un moyen de transformer un filament unidimensionnel en un composant bidimensionnel, voire tridimensionnel. Le tissage et l’aiguilletage tridimensionnels sont des techniques récentes de l’industrie textile, également employées pour les composites.