Comprendre le fonctionnement des polymères : un aperçu simple de la température de transition vitreuse des polymères

La température de transition vitreuse (Tg) peut sembler difficile, mais c'est le secret pour savoir pourquoi un plastique dur et cassant ne se transforme pas simplement en liquide et pourquoi un élastique est extensible à température ambiante. Cet article est pour vous si vous vous êtes déjà demandé comment les mêmes matériaux de base peuvent être utilisés pour tant de choses différentes, des verres rigides aux étuis de téléphone souples. Je vais expliquer l'idée des transitions vitreuses en utilisant des mots simples, en parlant de la science sans les termes difficiles à comprendre. Nous examinerons ce qu'est la température de transition vitreuse des polymères, ce qui la modifie et pourquoi c'est important pour les produits que nous utilisons chaque jour. Lorsque vous aurez fini de lire ceci, vous aurez une bonne compréhension de cette partie essentielle de la science des polymères et un nouveau respect pour le travail intelligent qui est consacré à la fabrication des matériaux que nous utilisons.

Qu'est-ce que la température de transition vitreuse dans un polymère ?

Pensez à un bloc de polymère régulier. Lorsqu'il fait très froid, il est dur et facile à casser, comme du verre. Si vous le frappiez, il pourrait se briser en morceaux. Nous appelons cela l'état vitreux. Maintenant, si vous commencez à chauffer ce polymère, quelque chose de bien se produit. Il ne fond pas simplement en un liquide d'un seul coup. Au lieu de cela, il subit un lent changement. Il devient plus doux, plus flexible et caoutchouteux. Ce changement se produit sur une certaine plage de températures. Le milieu de cette plage est ce que nous appelons la température de transition vitreuse, ou Tg.

Vous devez savoir que ce n'est pas comme une vraie fusion, comme lorsque la glace devient de l'eau. Un polymère est construit à partir de longues chaînes mélangées de petites parties. Dans l'état vitreux, ces chaînes de polymères sont essentiellement bloquées. Elles peuvent trembler un peu, mais elles n'ont pas assez d'énergie pour se déplacer. Lorsque vous chauffez le polymère et qu'il atteint sa Tg, les chaînes obtiennent suffisamment d'énergie thermique pour commencer à glisser les unes sur les autres. Cette nouvelle capacité de mouvement est ce qui rend le polymère caoutchouteux. Ainsi, la transition vitreuse est un changement dans la façon dont les chaînes de polymères peuvent se déplacer, et non un changement d'un solide à un liquide.

Pensez à une assiette de spaghettis qui a été cuite. Lorsqu'elle est froide, les morceaux sont collés les uns aux autres et ne bougent pas beaucoup. Si vous la réchauffez, les morceaux peuvent se déplacer plus facilement les uns autour des autres. C'est une image simple de ce qui arrive aux chaînes de polymères pendant la transition vitreuse. La température de transition vitreuse est une caractéristique de base des polymères amorphes : ceux qui ont une structure moléculaire désordonnée et mélangée. Pour les polymères semi-cristallins, qui ont à la fois des zones nettes (cristallines) et désordonnées (amorphes), la transition vitreuse ne se produit que dans les parties désordonnées.

Pourquoi devrions-nous nous soucier de la transition vitreuse des polymères ?

Apprendre à connaître la température de transition vitreuse des polymères n'est pas seulement pour les travaux scolaires ; c'est très utile dans la vie réelle. La Tg d'un polymère détermine comment il agira à une certaine température et, de ce fait, à quoi il peut servir. Par exemple, un polymère utilisé pour fabriquer un pneu de voiture doit être flexible et extensible dans de nombreuses températures différentes. Cela signifie que sa Tg doit être bien inférieure aux températures qu'il subira sur la route. Les matériaux extensibles comme le polyisoprène sont utilisés au-dessus de leur Tg, c'est pourquoi ils sont souples et flexibles.

D'autre part, un polymère utilisé pour une partie dure qui donne une forme, comme un boîtier d'ordinateur ou une bouteille d'eau, doit être rigide et solide à température ambiante. Ces utilisations nécessitent des polymères avec une Tg élevée, bien supérieure à la température ambiante. Les plastiques durs comme le polystyrène (PS) et le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) sont utilisés lorsqu'ils sont dans leur état vitreux, en dessous de leurs températures de transition vitreuse.

La température de transition vitreuse est également très importante pour la façon dont les polymères sont transformés en produits. Pour donner une forme à un polymère, comme dans un moule, il faut le chauffer au-dessus de sa Tg jusqu'à un point où il devient mou et peut s'écouler. Connaître la Tg permet aux personnes qui fabriquent des objets de déterminer les bonnes températures pour les fabriquer. Cela permet de s'assurer que l'objet que vous fabriquez a les qualités que vous souhaitez. En bref, la température de transition vitreuse est un élément d'information essentiel qui aide les experts à choisir le bon polymère pour un certain travail et à le fabriquer de la bonne manière.

Comment la structure chimique d'un polymère affecte-t-elle sa Tg ?

La structure chimique d'un polymère est la principale chose qui détermine sa température de transition vitreuse. Imaginez les chaînes de polymères comme de longues cordes. Plus il est facile pour ces cordes de bouger et de glisser les unes sur les autres, plus la Tg est basse. D'autre part, si les cordes sont rigides et ont des choses dessus qui gênent, la Tg sera plus élevée. Cette « rigidité » de la chaîne de polymères est souvent appelée flexibilité de la chaîne.

Quelques parties de la structure chimique modifient la flexibilité de la chaîne :

• Flexibilité du squelette : Les atomes qui composent la chaîne principale du polymère, ou squelette, sont très importants. Les polymères avec des squelettes très flexibles, comme le polyéthylène, ont des températures de transition vitreuse très basses. Les liaisons dans le squelette du polyéthylène peuvent tourner facilement. En revanche, les polymères avec des groupes rigides dans leur squelette, comme les cycles dans le polystyrène, ont des températures de transition vitreuse beaucoup plus élevées car ces cycles gênent la rotation de la chaîne.
• Groupes latéraux : La taille et le type des atomes ou des groupes d'atomes sur le squelette du polymère (les groupes latéraux) sont également très importants. Les grands groupes latéraux gênent, ce qui rend plus difficile le mouvement des chaînes de polymères. Cela rend la Tg plus élevée. Par exemple, le polypropylène a une Tg plus élevée que le polyéthylène en raison du petit groupe méthyle sur son squelette. Le polystyrène a un grand cycle volumineux comme groupe latéral, ce qui contribue à lui donner une Tg élevée d'environ 100 °C.
• Forces entre les chaînes : Les forces de traction entre les chaînes de polymères modifient également la Tg. Des forces plus fortes, comme celles des groupes polaires dans la structure chimique, maintiennent les chaînes plus proches. Cela rend plus difficile leur mouvement et conduit à une Tg plus élevée. Par exemple, les atomes de chlore polaires dans le polychlorure de vinyle (PVC) rendent sa Tg plus élevée que celle du polyéthylène.

Quel est le rôle du volume libre dans les transitions vitreuses ?

Une autre idée clé pour comprendre les transitions vitreuses est le volume libre. Imaginez un bocal rempli de billes. Les billes sont comme les chaînes de polymères. L'espace vide entre les billes est le volume libre. Ce volume libre donne l'espace nécessaire aux chaînes de polymères pour se déplacer et glisser les unes sur les autres. Plus un polymère a de volume libre, plus ses chaînes peuvent se déplacer facilement, et donc, plus sa température de transition vitreuse est basse.

Lorsque vous refroidissez un polymère à partir de son état caoutchouteux, les chaînes bougent moins et s'emballent plus étroitement. Cela réduit le volume libre. À la température de transition vitreuse, le volume libre atteint un point très bas où il n'y a pas assez de place pour que les grandes parties des chaînes se déplacent. Les chaînes de polymères se « coincident » en un seul endroit, et le matériau se transforme en un solide amorphe dur. C'est de cela qu'il s'agit dans l'état vitreux.

De nombreuses choses peuvent modifier la quantité de volume libre dans un polymère. Par exemple, les polymères avec de longues chaînes droites ont souvent plus d'extrémités de chaîne. Ces extrémités de chaîne créent plus de volume libre. Lorsque le poids moléculaire du polymère augmente, le nombre d'extrémités de chaîne diminue. Cela signifie qu'il y a moins de volume libre et une Tg plus élevée. L'idée du volume libre nous donne un moyen facile mais bon de penser à la façon dont la structure minuscule d'un polymère modifie ses qualités plus importantes, en particulier sa transition vitreuse.

Quels autres facteurs affectent la température de transition vitreuse d'un polymère ?

Outre la structure chimique de base et le volume libre, quelques autres choses peuvent modifier la température de transition vitreuse d'un polymère. Ces choses sont souvent utilisées pour modifier les qualités d'un polymère pour une certaine utilisation.

Voici un tableau qui montre certaines de ces choses clés :

Connaître ces facteurs affectant la température de transition vitreuse permet aux scientifiques de modifier les propriétés des polymères pour répondre aux besoins de nombreuses utilisations différentes, de souples et extensibles à dures et résistantes.

Comment mesurons-nous la température de transition vitreuse d'un polymère ?

Étant donné que la transition vitreuse n'est pas un événement clair et soudain comme la fusion, mais un lent changement sur une plage de températures, nous avons besoin de moyens spéciaux pour la mesurer. Quelques méthodes de test peuvent être utilisées pour trouver la Tg d'un polymère. Chaque méthode recherche un certain changement dans les qualités du matériau lorsqu'il traverse la transition vitreuse.

Les moyens les plus courants sont :

• Calorimétrie différentielle à balayage (DSC) : C'est l'une des méthodes les plus courantes. La DSC mesure la quantité de chaleur nécessaire pour rendre un échantillon de polymère plus chaud par rapport à un autre matériau. Lorsque le polymère traverse sa transition vitreuse, il y a un changement dans la façon dont il retient la chaleur. Cela ressemble à une forme d'étape sur le graphique DSC. La Tg est généralement considérée comme le milieu de ce changement.
• Analyse mécanique dynamique (DMA) : Cette méthode est très bonne pour voir les changements dans les propriétés mécaniques d'un polymère. Dans un test DMA, un petit morceau du polymère est poussé et tiré avec une force d'avant en arrière. Sa rigidité et la quantité d'énergie qu'il perd sont mesurées lorsque la température change. Lorsque le polymère traverse sa Tg, il y a une forte baisse de sa rigidité (son module) et un point culminant dans l'énergie qu'il perd. La DMA peut être un meilleur moyen de trouver la transition vitreuse que la DSC, en particulier pour certains types de polymères.
• Analyse thermomécanique (TMA) : Cette méthode mesure les changements de taille d'un polymère lorsque la température change. Lorsqu'un polymère est chauffé à travers sa transition vitreuse, la vitesse à laquelle il croît avec la chaleur change. Ce changement peut être vu par TMA et utilisé pour trouver la Tg.

La méthode à utiliser dépend du polymère testé et de ce que vous devez savoir. Il est également bon de savoir que la valeur de Tg mesurée peut être un peu différente en fonction de la méthode utilisée et de la façon dont le test est configuré, comme la vitesse de chauffage.

Quelle est la différence entre la température de transition vitreuse (Tg) et la température de fusion (Tm) ?

C'est quelque chose que les gens confondent souvent, mais la température de transition vitreuse (Tg) et la température de fusion (Tm) sont des choses très différentes. La principale différence réside dans le type de polymère et la façon dont le changement se produit.

• Transition vitreuse (Tg) : C'est une qualité de la partie amorphe ou non cristalline d'un polymère. C'est un changement où le matériau passe d'un état dur et vitreux à un état mou et caoutchouteux. Le matériau est toujours un solide ; son état ne change pas. Le changement concerne le début de grands mouvements dans les chaînes de polymères. Les polymères amorphes comme le polystyrène (PS) et le PMMA n'ont qu'une Tg.
• Fusion (Tm) : C'est une qualité de la partie cristalline d'un polymère. C'est un véritable changement d'état où les formes cristallines nettes et ordonnées s'effondrent, et le polymère passe d'un solide à un liquide épais. Les polymères semi-cristallins, comme le polyéthylène et le polypropylène, ont à la fois une Tg (pour leurs parties désordonnées) et une Tm (pour leurs parties nettes). La température de fusion est toujours plus chaude que la température de transition vitreuse.

Pour le dire simplement, à la Tg, les chaînes de polymères désordonnées commencent à bouger et à se déplacer. À la Tm, les formes cristallines nettes s'effondrent complètement et fondent. Connaître cette différence est très important pour comprendre comment les polymères agissent en général.

Quels polymères ont une température de transition vitreuse élevée ?

Les polymères avec des températures de transition vitreuse élevées sont nécessaires pour les utilisations qui nécessitent qu'ils soient rigides, solides et capables de supporter la chaleur. Ces matériaux sont utilisés dans leur état vitreux à température ambiante, ce qui signifie que leur Tg est bien supérieure à 25 °C (77 °F). La Tg élevée est causée par leurs structures chimiques rigides, qui arrêtent le mouvement des chaînes de polymères.

Voici quelques polymères avec une Tg élevée :

Ces polymères solides sont très importants dans des domaines comme les voyages dans l'espace, les voitures, l'électronique et la médecine, où les matériaux doivent souvent faire face à des températures élevées et à beaucoup de force physique. La fabrication de nouveaux polymères avec des températures de transition vitreuse encore plus élevées est un objectif sur lequel les scientifiques travaillent dur.

Comment fonctionne la cinétique des transitions vitreuses ?

La transition vitreuse ne concerne pas seulement le fonctionnement de la chaleur et de l'énergie ; elle est également très affectée par la cinétique, qui est l'étude de la vitesse à laquelle les choses se produisent. La fabrication d'un état vitreux est quelque chose qui dépend du temps. Le fait qu'un polymère devienne un verre ou un solide cristallin lorsqu'il refroidit après avoir été un liquide dépend de la vitesse à laquelle il est refroidi.

Si un liquide polymère est refroidi très lentement, les chaînes de polymères ont le temps de s'aligner en une forme cristalline nette. Ce processus de fabrication de cristaux comporte deux étapes : le démarrage de minuscules cristaux, puis leur agrandissement. Mais si le liquide est refroidi très rapidement (c'est ce qu'on appelle la trempe), les chaînes n'ont pas le temps de s'aligner en cristaux. Leur mouvement devient de plus en plus lent jusqu'à ce qu'elles soient essentiellement « coincident » dans un état solide amorphe désordonné : un verre.

La cinétique de la transition vitreuse montre également pourquoi la Tg mesurée peut changer avec la vitesse de chauffage. Avec une vitesse de chauffage plus rapide, les chaînes de polymères ont moins de temps pour réagir à la température plus chaude, de sorte que le changement semble se produire à une température qui est un peu plus élevée. Cette qualité basée sur le temps est un élément clé de la transition vitreuse et la rend différente d'un véritable changement basé sur la chaleur comme la fusion. La façon dont l'énergie thermique et la vitesse fonctionnent ensemble est ce qui rend l'observation des transitions vitreuses si intéressante et pas si simple.

Quels sont les principaux points à retenir concernant la température de transition vitreuse des polymères ?

Pour terminer notre examen approfondi de la température de transition vitreuse des polymères, voici les idées les plus importantes à garder à l'esprit :

• La température de transition vitreuse (Tg) est la température à laquelle un polymère amorphe passe d'un état dur et vitreux à un état mou et caoutchouteux.
• Ce changement n'est pas une fusion. C'est un changement dans la capacité des longues chaînes de polymères à se déplacer.
• La Tg est une qualité très importante qui détermine les utilisations réelles d'un polymère.
• La structure chimique d'un polymère, comme la flexibilité de son squelette et ses groupes latéraux, est la principale chose qui contrôle sa Tg.
• Le volume libre, l'espace ouvert entre les chaînes de polymères, est très important ; plus il y a de volume libre, plus la Tg est basse.
• D'autres choses comme le poids moléculaire, la réticulation et l'ajout de plastifiants peuvent également modifier considérablement la Tg.
• La Tg est généralement mesurée avec des outils comme la DSC, la DMA ou la TMA.
• La transition vitreuse (Tg) est une qualité des parties désordonnées, tandis que le point de fusion (Tm) est une qualité des parties nettes.
• Les polymères avec une Tg élevée sont rigides et solides à température ambiante et sont utilisés pour les produits durables.
• La fabrication d'un verre est un processus basé sur la cinétique qui dépend de la vitesse à laquelle il refroidit.