Polymères : cristallisation et taux de cristallinité

Thèmes abordés

Sciences - Ingénierie - Industrie, Polymères, cristallisation, taux de cristallinité, cristallinité, température de cristallisation, syndiotactique, atactique, vulcanisation au soufre, zones amorphes, zones cristallisées, masse de l'échantillon, chaleur totale, quantité totale, enthalpie, fraction cristalline, masse volumique, calorimétrie différentielle à balayage, diffraction des rayons, spectroscopie infrarouge, résonance magnétique nucléaire, cohésion, propriétés techniques, conductivité thermique

Résumé du document

Nous allons voir dans ce chapitre qu'est-ce que la cristallisation ainsi que le taux de cristallinité.
Comment mesurer ce taux de cristallinité et qu'en déduire de ce résultat ?
Quelle incidence a le taux de cristallinité sur les propriétés des matériaux ?
La cristallinité désigne le degré d'ordre structurel d'un solide, disposé de manière structurée et répétitive sans défaut (joint de dislocation, grain, etc.).
Néanmoins, beaucoup de polymères sont à la fois amorphes et cristallins, on parle alors de matériaux semi-cristallins.
On cherche donc à savoir dans quelles proportions ils sont cristallins, ce qui se mesure grâce au taux de cristallinité.

Extraits

[...] g=masse échantillon Nous venons de calculer la chaleur totale. Nous appellerons la chaleur totale dégagée pendant la fusion Hm total, et nous appellerons la chaleur totale de cristallisation Hc total. Maintenant nous allons soustraire les deux : H ' est la chaleur dégagée par la partie de l'échantillon du polymère qui était dans l'état cristallin avant que nous ayons chauffé le polymère au-dessus du Tc. Nous voulons connaître la quantité du polymère qui était cristalline avant que nous l'ayons incité à devenir cristalline. [...]

[...] En se solidifiant, les molécules présentes dans le noyau du cristal vont se replier sur elles-mêmes et former des lamelles (structures qui apparaissent lors de la solidification du matériau). Si un matériau est refroidi rapidement avant qu'il n'ait le temps de cristalliser complètement il présente des défauts ou bien une cristallisation partielle avec des zones amorphes et cristallisées (semi-cristallin). Les propriétés des plastiques sont fortement influencées par leur degré de cristallisation. Plus le degré de cristallisation est élevé, plus une pièce moulée est rigide, mais aussi plus fragile. [...]

[...] Maintenant avec H ' nous pouvons quantifier le pourcentage de cristallinité. Nous allons le diviser par la chaleur spécifique de fonte, Hc*.(C'est la quantité de chaleur) .H ' est exprimé en joules et on exprime habituellement la chaleur spécifique de fusion en joules, par gramme, donc nous allons obtenir une réponse en grammes, que nous appellerons mc. C'est la quantité totale (en grammes) de polymère qui était cristallisée au-dessous du Tc. Maintenant si nous divisons ce nombre par le poids de notre échantillon, total", nous obtenons la fraction de l'échantillon qui était cristallisé et ensuite bien sûr, le pourcentage de cristallinité : Degré de cristallisation : Pour la détermination du degré de cristallisation Xc, l'enthalpie mesurée de fusion ∆Hmes est comparée à la valeur de la littérature ∆Href pour un matériau complétement cristallin Cependant une autre méthode est possible à partir de la courbe DSC Si nous continuons à chauffer notre polymère au-dessus de Tc, nous atteindrons une autre transition thermique, appelée fusion Nous pouvons mesurer la chaleur latente de fusion en mesurant la surface de ce creux. [...]

[...] La masse volumique : Comme dit précédemment, une zone cristalline est très dense à l'inverse d'une zone amorphe. Ainsi plus un matériau possède de zone cristalline (et donc moins il possède de zone amorphe) plus sa masse volumique augmente. Ainsi, un matériau très cristallin sera rigide mais fragile et possèdera une bonne résistance chimique, une faible conduction thermique et une masse volumique importante (pour un polymère). Avec la technologie actuelle, il est intéressant de savoir quel est le taux de cristallinité le plus intéressant à avoir sur un matériau selon les propriétés qu'on cherche à obtenir de celui-ci. [...]

[...] En dehors de la formule utilisée pour calculer le taux de cristallisation on a d'autre moyen de déterminer le taux de cristallinité d'un matériau : La masse volumique La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) Diffraction des rayons X La spectroscopie infrarouge La résonance magnétique nucléaire (RMN) Tous ces moyens sont fiables afin d'obtenir le taux de cristallinité, certains s'obtiennent avec des calculs ou avec des expérimentations. Influence du taux de cristallinité Le degré de cristallinité a donc une influence sur la dureté, la densité, la transparence et la diffusion. Caractéristique donnée par la cristallisation d'un matériau : Propriétés techniques : Plus un matériau possède de zone cristalline plus il deviendra rigide et fragile. La cohésion : Dans une zone cristalline, la cohésion est grande. Cette cohésion importante engendre une moindre réactivité de la matière ce qui se traduit par une bonne résistance chimique. [...]