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Étude rhéologique des polymères

Aujourd'hui, les polymères font partie des matériaux les plus importants pour les usages techniques et dans la vie quotidienne, car les propriétés des polymères peuvent être adaptées de très nombreuses manières pour être utilisées dans presque tous les champs d'application. Outre les polymères naturels, comme les protéines, les amidons, la cellulose, etc., il existe un grand nombre de polymères fabriqués comme le nylon, les silicones, le PVC, le plexiglas, etc. Certains polymères sont durs et cassants, d'autres sont solides et résistants aux chocs alors que d'autres encore sont souples et flexibles. La fabrication et la caractérisation des polymères est donc au centre de beaucoup d'industries et d'instituts de recherche spécialisée.

Comportement rhéologique des polymères

Les polymères sont des particules de grande taille composées de sous-unités appelées monomères. La longueur des chaînes de polymères et leurs interconnexions sont cruciales pour les propriétés de la matière. Un grand nombre de propriétés importantes des polymères peut être caractérisé par le biais de tests rhéologiques. La description de ces propriétés nécessite des procédures de test afin d'obtenir les informations désirées.

Les polymères montrent un comportement rhéologique qui doit être pris en compte lors de l'utilisation ou la production de ces types de matières, comme la viscosité du produit fondu, la fluidité, les propriétés viscoélastiques, le comportement thermique, la température de vitrification, le vieillissement, etc. Plusieurs tests et méthodes d'analyse sont utilisés pour optimiser les propriétés du polymère jusqu'à ce qu'il réponde à toutes les exigences.

Étude des polymères à l'aide de tests rhéologiques

Les tests rhéologiques sont utiles pour :

  • Contrôle de qualité des polymères, par exemple en déterminant la viscosité, les paramètres viscoélastiques et la masse molaire
  • Amélioration du comportement du traitement des polymères, par exemple le moulage par injection, l'extrusion, le filage de fibre, etc.
  • Optimisation du produit fini (par exemple les matériaux plastiques dans la production automobile).

Verre acrylique (PMMA)

Le polymétacrylate de méthyle (PMMA) est également connu sous le nom de verre acrylique ou par sa marque commerciale bien connue, Plexiglas™. Ce matériau ressemble au verre, mais est léger et résistant aux éclats. S'il est modifié en conséquence, le verre acrylique montre une grande résistance aux rayures et aux impacts. La matière pure est rarement vendue comme produit final ; elle est plus généralement vendue comme préparation modifiée avec une teneur variée en comonomères, additifs et matières de remplissage. De par sa composition, le verre acrylique possède des propriétés spécifiques. Il transmet mieux la lumière que le verre normal. Il est élastique, résistant aux chocs et peut être facilement mis en forme au-dessus de 105 °C. En outre, il est possible de le lier et le souder. Certains types laissent passer la lumière UV et les rayons X, mais bloquent la lumière infrarouge, ce qui en fait le matériau idéal pour certaines applications telles que les serres et la lithographie aux rayons X.

On retrouve le verre acrylique dans de nombreux produits du secteur médical, automobile, dans la construction et l'optique, comme les verres indicateurs, les verres pour lunettes, les sols industriels, les capots légers pour les véhicules, les fibres optiques, les lentilles, le mobilier, etc.

Tests rhéologiques sur le verre acrylique

Un type de test rhéologique fréquemment réalisé sur le verre acrylique est l'«  analyse mécanique dynamique (DMA) » en torsion, effectuée à l'aide d'un rhéomètre oscillatoire. Dans ce test, un échantillon de spécimen solide de verre acrylique est fixé entre deux mâchoires et déformé à une amplitude et une fréquence spécifiques, dans une plage thermique définie. À des températures basses, le polymère présente un comportement rigide et cassant (-150 °C). Lorsque le polymère est chauffé à des températures très élevées, il commence à fondre, passant d’un état solide et vitreux à la gamme de ramollissement - température de transition vitreuse - pour finalement atteindre un état liquide et fondu. Les mesures précises d'une barre solide de verre acrylique sur une plage étendue de température fournissent un grand nombre d'informations sur le rapport entre la structure macromoléculaire et le comportement mécanique.

Ce test nécessite un rhéomètre pourvu d'un système de chauffage par convection avec un dispositifs de serrage de solides.

Polyéthylène (PE)

Parmi d'autres applications, le polyéthylène (PE) est utilisé comme matériau d'emballage pour des bouteilles, sacs, films, etc. Il est classifié en plusieurs catégories en fonction de sa masse volumique et de sa ramification moléculaire. Il existe, par exemple, le polyéthylène haute densité (HDPE), le polyéthylène basse densité (LDPE), le polyéthylène linéaire basse densité (LLDPE), etc. En fonction de l'étendue et du type de ramification, de la structure semi-cristalline et de la masse molaire, le polyéthylène peut faire preuve de plusieurs propriétés mécaniques. Alors que le LDPE est utilisé pour les récipients rigides, le LLDPE, qui possède une force de tension plus élevée que le LDPE, est utilisé pour l'emballage, particulièrement sous forme de films, de sacs en plastique et de films d'emballage. Le HDPE possède un rapport élevé force-densité et est utilisé pour des produits et des emballages comme les briques de lait, les bouteilles de détergent, les boîtes contenant le beurre, les containers de déchets et les canalisations d'eau.

Tests rhéologiques sur le polyéthylène

Les mesures rhéologiques fournissent des informations sur les propriétés chimiques des polymères de PE. Par exemple, la masse molaire du PE peut être déterminée en mesurant sa viscosité à cisaillement zéro à l'aide de balayages de fréquence. Les balayages de fréquence sont des tests oscillatoires effectués à une amplitude constante et des fréquences variables. Aux valeurs basses de la fréquence, la valeur de viscosité de cisaillement zéro de l'échantillon peut être déterminée. La viscosité de cisaillement zéro est l'une des propriétés les plus importantes d'un fondu de polymère, car elle est directement proportionnelle à la masse molaire moyenne. Un des grands avantages de la caractérisation d'un fondu de polymère avec un rhéomètre oscillatoire est la durée relativement courte que prend une mesure type.

Ce test nécessite un rhéomètre pourvu d'un système de contrôle de la température par effet Peltier.

Polypropylène (PP)

Le polypropylène (PP) est un polymère à la fois dur et souple employé dans diverses applications, dont les emballages souples, le textile, les billets de banque en polymère et les matériaux industriels. Le PP présente des propriétés semblables au polyéthylène, mais une masse volumique moindre, un point de fusion supérieur (TM > 160 °C) et une excellente résistance chimique. Les produits en PP peuvent être fabriqués de diverses manières, notamment par extrusion de film (pour les emballages), soufflage (pour les contenants plus durs, comme les bouteilles, tubes et réservoirs) et moulage par injection (pour les applications à haute résistance comme les casques de sécurité, outils électriques et boîtiers de téléviseur). Cette polyvalence autorise l’usage de divers additifs (colorants et pigments p. ex.) et agents de renforcement afin de modifier les propriétés du polymère. Par exemple, le renforcement en fibres de verre confère au PP une résistance à la traction encore meilleure à haute température.

Tests rhéologiques sur le polypropylène

Pour voir comment le PP (ou le PP renforcé de fibres de verre) réagit aux sollicitations mécaniques à diverses températures, une analyse mécanique dynamique (DMA) est réalisée. Les principaux objectifs de ce test sont de déterminer à quel moment le polymère commence à se ramollir (sa température de transition vitreuse, notée Tg) et jusqu’à quelle température il peut résister à une charge mécanique donnée. Il existe d’autres méthodes d'analyse thermique pour effectuer ces tests (l’analyse calorimétrique à compensation de puissance, DSC, ou l’analyse thermo-mécanique, TMA), mais la DMA est habituellement la plus précise pour trouver Tg.

Dans le test par torsion de la méthode DMA, un échantillon solide (de section transversale rectangulaire ou circulaire) du polymère est serré entre deux pinces et déformé à une amplitude sinusoïdale et une fréquence spécifiques à l’aide d’un rhéomètre oscillatoire. L’échantillon est déformé ou contraint dans une plage de température définie et la réaction du polymère à la charge mécanique prédéfinie est mesurée au fur et à mesure que la température augmente.

Ce test nécessite un rhéomètre pourvu d’un moteur linéaire et un système de mesure pour l’analyse mécanique dynamique.

Polystyrène (PS)

Peu onéreux à produire, en comparaison, le polystyrène est un des plastiques les plus largement utilisés. Sous forme de polystyrène expansé, il est généralement utilisé comme emballage protecteur. Dans sa forme rigide, il est utilisé comme matériau de construction, pour les récipients de yaourt, les boîtiers de CD/DVD, les bouteilles, etc. Le polystyrène possède un point de fusion relativement bas (environ 100 °C) et il est transparent. Pour l'utilisation industrielle, il est généralement coloré.

Tests rhéologiques sur le polystyrène

Afin d'étudier le comportement à court et long terme d'un fondu de polystyrène, il est possible d'effectuer un balayage de fréquence à l'aide d'un rhéomètre oscillatoire. Les balayages de fréquence sont des tests oscillatoires effectués à une amplitude constante et des fréquences variables. L'échantillon de polymère placé dans la cellule de mesure peut prendre la forme de granulés, de poudre ou d'une plaque préformée. L'analyse du point de croisement entre les courbes du module de stockage et du module de perte permet d'obtenir une image qualitative de la masse molaire moyenne de l'échantillon de polymère. Il est possible de déterminer la distribution de la masse molaire (MMD) à l'aide d'autres méthodes d'analyse. Par rapport à d'autres méthodes comme l'analyse CPG (chromatographie de perméation sur gel), cette méthode de test ne nécessite pas l'utilisation de solvants. En outre, la détermination MMD n'est pas limitée.

Ce test nécessite un rhéomètre pourvu d’un système de contrôle de la température par effet Peltier..

Polyuréthane (PU)

Les polyuréthanes (PU) sont les polymères les plus couramment utilisés pour fabriquer des mousses. Les PU sont formés par une réaction entre un isocyanate et un polyol. En présence d’eau, la réaction produit du CO2 et les bulles dans le polymère forment une mousse. Les PU sont des polymères extrêmement polyvalents dont les applications couvrent les sièges en mousse, l’isolation, les fibres synthétiques comme l’élasthane ainsi que divers composants automobiles comme les joints et garnitures, coussinets de suspension, revêtements et mastics.

Les PU doivent leur polyvalence à la grande variété des deux composants utilisés pour les fabriquer. De longues chaînes et une faible réticulation donnent un polymère souple et élastique, tandis que des courtes chaînes avec une réticulation élevée créent un polymère dur. En choisissant rigoureusement les composants et en surveillant attentivement les propriétés rhéologiques de la réaction, le produit fini peut être élaboré avec précision.

Tests rhéologiques sur le polyuréthane

Les PU sont fabriqués en mélangeant les deux composants liquides, l’isocyanate et le polyol, et en versant le mélange dans un moule. La réaction de réticulation se déroule ensuite et la viscosité augmente jusqu’à ce que la réaction soit terminée, et le produit solide final peut alors être démoulé. La viscosité et les autres propriétés de l’échantillon peuvent être analysées pendant toute la durée du processus de réticulation à l’aide d’un rhéomètre pourvu d’un système de mesure en plan parallèle. Ici, par exemple, un test d’oscillation à faible amplitude constante de 0,05 % peut être prédéfini. Il est possible de mesurer des points importants, tels que la durée d’emploi (le point jusqu'auquel l’échantillon peut encore être traité, p. ex. injecté dans un moule), le point sol-gel (où l’échantillon passe d'un état liquide à un état solide proche du gel) et le temps de réticulation, comme le montre le graphique ci-dessous.

nécessite un rhéomètre pourvu d'un système de contrôle de la température par effet Peltier et un système de mesure en plan-plan jetable.