Les polymères thermoplastiques chargés de lubrifiants solides en poudre

Polymères thermoplastiques

Généralités
Les polymères sont constitués de longues chaînes macromoléculaires. En effet, une macromolécule est formée par répétition d’unités élémentaires appelées « monomères » liées entre elles par des liaisons primaires. Le polymère peut être formé par un seul type de monomère, il s’agit « d’homopolymère », ou par deux ou trois espèces de monomères et on parle de « copolymère ». Le passage du monomère au polymère se traduit par une réaction chimique appelée polymérisation. L’unité structurale est l’élément du monomère contenant une seule liaison capable de rotation. Les polymères sont principalement formés des neuf éléments chimiques suivants : le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, le fluor, le phosphore, l’azote, le silicium le soufre et le chlore (Kausch et al., 2001). Généralement, le squelette de la macromolécule est composé d’atomes de carbone. Une liaison primaire pourra attacher d’autres groupements latéraux ou atomes au squelette. En fait, plusieurs facteurs spécifient la structure de la macromolécule, parmi eux on cite la composition chimique du monomère, la disposition des atomes et des liaisons, l’ordre d’enchaînement et les aspects topologiques. La structure chimique conditionne les interactions intramoléculaires et intermoléculaires, et par conséquent les propriétés physiques et mécaniques du polymère. Le tableau 1.1 illustre la structure chimique de quelques thermoplastiques.La configuration concerne la manière dont les atomes et les groupements latéraux sont arrangés le long de la chaîne, en effet, elle présente la disposition spatiale des atomes. Cet arrangement est irréversible et il est défini une seule fois pendant la réaction chimique de polymérisation. De plus, il est essentiel de définir la conformation qui présente, en fait, un arrangement spatial réversible d’une molécule. La figure 1.1 illustre la conformation définie par une rotation autour des liaisons simples ou des liaisons covalentes. Le passage d’une conformation à une autre s’effectue suite au franchissement d’un seuil énergétique. Lorsque l’énergie potentielle est minimale, on parle de conformation stable, telle que la conformation « gauche » (angle de rotation ≤ 120 °) ou bien la conformation « trans » qui correspond à un angle de rotation de 0° (Etienne et al., 2002). L’élévation de la température participe au franchissement de la barrière énergétique.

Morphologies microstructurales des polymères

Les thermoplastiques forment des polymères à chaînes linéaires ou ramifiées. Ils peuvent être semi-cristallins ou bien amorphes. Ils présentent une rigidité élevée à basse température, cependant, elle diminue à haute température. Les hautes températures (entre 80 et 225°C selon le thermoplastique) confèrent un comportement liquide aux thermoplastiques, par contre, ils redeviennent rigides au refroidissement. Leur mise en forme se fait, le plus souvent, à chaud et ils peuvent être répétitivement réchauffés et remis en forme. Le PC et le PA6-6 font partie de cette famille.

État amorphe

En fonction de sa structure moléculaire, la capacité à cristalliser est une spécificité qui définit un polymère. D’une manière générale, les chaînes linéaires et de motifs simples ont tendance à s’ordonner facilement et peuvent cristalliser. Le taux de cristallisation est géré par le temps de refroidissement et la température qui sont les principales conditions de cristallisation. Les chaînes formées de groupements encombrants latéraux cristallisent difficilement. À l’état amorphe, la microstructure des polymères est complètement désordonnée. En effet, tout arrangement organisé n’est pas respecté car les longues chaînes macromoléculaires s’entremêlent. La microstructure des polymères amorphes pourrait être représentée par l’image descriptive d’un plat de très longs spaghettis. Les macromolécules peuvent créer des nœuds, désignés par les enchevêtrements qui sont représentés par des pelotes statistiques. Toutefois, les polymères amorphes à l’état solide sont macroscopiquement homogènes et isotropes malgré l’absence d’ordre à l’échelle moléculaire, (Figure 1.2). Figure 1.2 Structure des polymères amorphes à une échelle croissante, a) : segment d’une chaîne macromoléculaire, b): macromolécules, c) : enchevêtrement des macromolécules, d) : structure macroscopique homogène et isotrope (Tomita, 2000)  Dans un polymère amorphe, les chaînes moléculaires sont orientées d’une manière aléatoire dans le matériau. Cet effet peut être détecté par diffraction des rayons X (Young et al., 2000). Sur la figure 1.3-a, des anneaux de diffraction apparaissent. Ils sont caractéristiques d’une structure cristalline alors que le fond diffus provient de la phase amorphe du polymère semicristallin. La figure 1.3-b montre un polymère amorphe qui présente un seul anneau diffus. Cet effet indique l’absence d’ordre moléculaire du thermoplastique étudié.

État semi-cristallin

Les polymères semi-cristallins possèdent une phase amorphe et une autre cristalline. L’état du matériau est amorphe à la température de fusion, en effet, toutes les macromolécules sont dans un état isotrope et désordonné. Deux mécanismes apparaissent suite au refroidissement: la germination et la croissance cristalline. Généralement, la phase cristalline est formée par des arrangements répétitifs de chaînes macromoléculaires. L’ordre total du polymère est empêché par la présence des extrémités de chaîne. La phase amorphe se trouve dans un état confiné et entoure la phase cristalline, organisée sous forme de lamelles (Figure 1.4-a). Il faut noter que la phase amorphe est supposée non homogène, elle est composée d’une phase dite «liée » et d’une phase dite «libre» (Figure 1.4-b). Cette dernière est localisée dans les interstices inter-lamellaires ce qui permet aux chaînes de bénéficier d’une bonne mobilité. La phase amorphe « liée » joue le rôle d’une interphase qui sépare les cristaux et la phase amorphe libre, par conséquent, la mobilité des chaînes est fortement affaiblie (Fond et al., 2002).