Propriétés mécaniques des polymères

Les polymères réagissent aux contraintes d'une manière intermédiaire entre les solides élastiques et les liquides visqueux ; leur rigidité, leur résistance et leur ténacité dépendent donc de la température, du temps et de la vitesse de sollicitation, et sont décrites par la viscoélasticité et l'élasticité du caoutchouc.

Definition

Les propriétés mécaniques des polymères sont leur rigidité, leur résistance, leur déformabilité et leur capacité d'absorption d'énergie sous charge, qui découlent d'un comportement viscoélastique combinant une élasticité de type solide et un écoulement de type liquide, et dépendent de la température, de la vitesse de sollicitation et de la structure moléculaire.

Scope

Ce sujet couvre le comportement mécanique des polymères : la viscoélasticité linéaire et les modules de conservation et de perte, le fluage et la relaxation de contrainte, l'équivalence temps-température de la réponse mécanique, l'élasticité du caoutchouc des réseaux réticulés, la déformation plastique (yielding), l'étirage (drawing) et la rupture, ainsi que la manière dont la masse molaire, la cristallinité, la réticulation et la température déterminent conjointement les propriétés ultimes.

Core questions

• Pourquoi la réponse mécanique des polymères dépend-elle du temps et de la température ?
• Comment les modules de conservation et de perte décrivent-ils le comportement viscoélastique ?
• Quelle origine moléculaire confère au caoutchouc son élasticité entropique ?
• Comment la masse molaire, la cristallinité et la réticulation contrôlent-elles la résistance et la ténacité ?

Key theories

Viscoélasticité linéaire

La réponse des polymères aux contraintes combine des contributions élastiques et visqueuses, capturées par les modules de conservation et de perte dépendants de la fréquence, ainsi que par les fonctions de fluage et de relaxation de contrainte, et unifiées à travers les températures par la superposition temps-température.

Théorie entropique de l'élasticité du caoutchouc

La force de rappel d'un caoutchouc réticulé étiré est entropique, provenant de la réduction de l'entropie conformationnelle des chaînes du réseau étirées ; ainsi le module est proportionnel à la densité de réticulation et augmente avec la température absolue.

Mechanisms

En dessous de la transition vitreuse, un polymère est un verre rigide qui peut se rompre de manière fragile ; au-dessus de cette transition, les chaînes amorphes sont mobiles et le matériau est caoutchouteux ou, s'il n'est pas réticulé et au-dessus de tout point de fusion, il s'écoule. Les enchevêtrements confèrent aux polymères fondus et solides un réseau élastique transitoire, tandis que les réticulations permanentes confèrent une véritable élasticité du caoutchouc régie par l'entropie. Sous charge, les polymères peuvent subir une déformation plastique par bandes de cisaillement (shear banding) ou par craquelures (crazing), s'étirer pour aligner les chaînes et se renforcer dans la direction d'étirage, et finalement se fracturer. L'équilibre entre ces processus, déterminé par la masse molaire, la cristallinité, la réticulation et la vitesse de sollicitation, détermine si un matériau est fragile ou tenace.

Clinical relevance

Le contrôle des propriétés mécaniques est à la base de l'ingénierie des polymères : l'élasticité du caoutchouc permet la fabrication de pneus, de joints d'étanchéité et d'élastomères ; un module et une résistance élevés résultant de l'orientation et de la cristallinité permettent la production de fibres et de films ; et la ténacification par des phases caoutchouteuses ou des craquelures contrôlées permet la fabrication de plastiques résistants aux chocs. L'analyse viscoélastique guide la conception pour prévenir le fluage, la fatigue et la défaillance dépendante de la température et de la vitesse de sollicitation.

History

La théorie cinétique de l'élasticité du caoutchouc, reliant le module aux chaînes du réseau et à l'entropie, a été développée dans les années 1940 et codifiée par Treloar et Flory. Le traitement systématique de la viscoélasticité des polymères, incluant la superposition temps-température, a été établi par Ferry et d'autres dans les années 1950 et 1960.

Key figures

• Paul Flory
• John Ferry
• Leslie Treloar

Seminal works

• sperling2006
• flory1953

Frequently asked questions

Pourquoi le même polymère semble-t-il rigide lorsqu'il est frappé rapidement, mais s'écoule-t-il lentement sous une charge soutenue ?

Les polymères sont viscoélastiques : à des temps courts ou à des vitesses de sollicitation élevées, les chaînes ne peuvent pas se réorganiser et réagissent élastiquement, tandis qu'à des temps longs, elles se relaxent et s'écoulent. Cette dépendance temporelle est à l'origine du fluage, de la relaxation de contrainte et de la ténacité sensible à la vitesse de sollicitation.

Pourquoi un élastique devient-il plus rigide lorsqu'il est chauffé ?

L'élasticité du caoutchouc est entropique. L'étirement diminue l'entropie conformationnelle des chaînes du réseau, et la force de rappel est proportionnelle à la température absolue ; ainsi, le chauffage augmente la force de rappel plutôt que d'adoucir le caoutchouc.