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Polymère


Sommaire
1 Définition
2 Brève histoire des polymères
3 Structure des polymères

3.1 Structure primaire
3.2 Structure bi- ou tridimensionnelle

4 Nomenclature des polymères
5 Grandeurs caractéristiques des polymères

5.1 Les différentes masses molaires moyennes
5.2 L'indice de polymolécularité
5.3 Les différents degrés moyens de polymérisation

5.3.1 Remarques :

6 Exemples de polymères
7 Voir aussi

Définition

Un polymère est une substance organique liquide ou solide à température ambiante qui est constituée de macromolécules ayant la même nature chimique. Un polymère peut être d'origine naturelle, obtenu par modification chimique d'un polymère naturel ou bien synthétisés par voie chimique ou enzymatique par une réaction de polymérisation. Ces réactions de polymérisation conduisent à la formation de macromolécules par établissement de liaisons covalentes entre de petites molécules organiques elles-mêmes appelées monomères.

La plupart des polymères industriels sont fabriqués à partir d'un seul type de monomère (on parle alors d'homopolymère, comme par exemple le polystyrène) ou bien à partir de plusieurs types de monomères (on parle alors de copolymères, comme par exemple l'ABS).

Quelle que soit l'origine des polymères, les macromolécules dont il est constitué peuvent présenter des masses moléculaires (on devrait dire en fait masse molaire) variées, si bien que la masse moléculaire d'un polymère est donc en fait la moyenne de celle des macromolécules qui le constitue.

On distingue deux grande catégories de réactions chimiques permettant la préparation des polymères : la polymérisation en chaîne ou polyaddition (pour produire par exemple le polyéthylène, le polystyrène, le polypropylène...) et la polymérisation par étapes ou polycondensation (pour produire par exemple le P.E.T. ou poly(éthylène téréphtalate) ).

Le terme polymère désigne des substances nombreuses et variées : des protéines aux fibres de kevlar haute-résistance. Certains polymères sont liquides et servent dans les shampooings, d'autres au contraire, solides, servent comme matériau de structure.

Les polymères sont donc l'élément essentiel de nombreux matériaux et sont donc souvent classés d'après leurs propriétés thermomécaniques. Citons notamment :

Les polymères sont utilisés dans la fabrication d'un nombre très important d'objets pour lesquels ils ont souvent remplaçés des substances naturelles. Généralement, dans ces aplications, les polymères sont mélangés à d'autres substances - les charges telles que silice, les additifs tels que les anti-oxydants - dans des opérations de formulation.

La fabrication des objets eux-mêmes résulte la plupart du temps d'une opération de mise en oeuvre dans un procédé industriel qui relève du domaine de la plasturgie.

Brève histoire des polymères

La notion de macromolécule n'est apparue que tardivement dans l'histoire de la chimie. Bien qu'intuité par Weber au début du XIXe siècle, de nombreux chercheurs ne voient là que des agrégats ou micelles. Il faut donc attendre les années 1920-1930 pour que l'idée de macromolécule soit bien acceptée, notamment grâce aux travaux d'Hermann Staudinger.

Le développement industriel consécutif de la science macromoléculaire a été accéléré ensuite par la Seconde Guerre mondiale. Les États-Unis d'Amérique ont été coupés lors de leur entrée en guerre de leur approvisionnement en caoutchouc naturel en provenance d'Asie du Sud-Est. Ils ont alors dû lancer un immense programme de recherche visant à trouver des substituts de synthèse.

Structure des polymères

Structure primaire

On parle d'homopolymères s'il y a une seule sorte de monomères, et de copolymères s'il y en a davantage. On distingue ensuite plusieurs types de copolymères suivant l'organisation entre les différents monomères. Dans le cas le plus fréquent, on a un copolymère statistique où les différents monomères se mélangent au hasard. Les propriétés mécaniques sont alors moyennées. En revanche, dans un copolymère à blocs (appelé également copolymère séquencé) ou dans un copolymère alterné, il peut y avoir combinaison des propriétés mécaniques.

Image:differents_copolymeres.png

Les polymères les plus simples sont linéaires.

Structure bi- ou tridimensionnelle

Il existe parfois des liaisons covalentes vers d'autres morceaux de chaînes polymères. On parle alors de molécules 'branchées'. On sait synthétiser par exemple des molécules en 'peigne' ou en 'étoile'. Lorsque de nombreuses molécules ont été réunies par un certain nombre de liaisons covalentes (les points de branchement sont appelés points de réticulation), elles ne forment plus qu'une macromolécule gigantesque, et on parle alors d'un réseau réticulé.

Nomenclature des polymères

La nomenclature UICPA recommande de partir du motif de base de la répétition. Cependant de très nombreux polymères ont des noms usuels ne respectant pas la nomenclature UICPA. Un exemple : Le polymère de formule est couramment appelé polyéthylène. Pourtant, si l'on respecte la nomenclature, il devrait être nommé polyméthylène car le motif constitutif n'est pas l'éthylène mais le méthylène .

Voici quelques autres exemples de cas où l'appellation usuelle et la nomenclature UICPA diffèrent :


Formule Nom UICPA Appellation usuelle
Poly(oxyéthylène) Poly(oxyde d'éthylène)
Poly(oxyméthylène) Polyformaldéhyde
Poly(1-buténylène) Poly(butadiène)


Grandeurs caractéristiques des polymères

Les différentes masses molaires moyennes

Un polymère étant constitué d'une distribution de chaînes de longueurs différentes, on ne peut parler de masse molaire mais bien de masses molaires moyennes. Elles s'expriment en g.mol-1.

Soit i le degré de polymérisation
Soit Mi la masse molaire et mi la masse d'une chaîne de degré de polymérisation i.
Soit Ni, le nombre de chaînes de masse molaire Mi.
On distingue

\bar {M_n} = \frac {\sum_i N_i \times M_i} {\sum_i N_i}
On peut l'obtenir par osmométrie.
\bar {M_w} = \frac {\sum_i m_i \times M_i} {\sum_i m_i} =\frac {\sum_i N_i \times M_i^2} {\sum_i N_i \times M_i}
Elle peut être obtenue par diffusion de la lumière.
\bar {M_z} = \frac {\sum_i N_i \times M_i^3} {\sum_i N_i \times M_i^2}
On la détermine par ultracentrifugation.

\bar {M_n} et \bar {M_w} peuvent également être déterminées par chromatographie d'exclusion stérique (SEC) aussi appelée chromatographie sur gel perméable (GPC). Voir également masses molaires moyennes.

L'indice de polymolécularité

De manière à déterminer l'hétérogénéité d'un polymère, on introduit l'indice de polymolécularité noté I :

I = \frac {\bar {M_w} } {\bar {M_n}}

Si toutes les chaînes d'un polymère possèdent la même longueur, toutes les masses molaires moyennes définies ci-dessus sont égales. Ce type de polymère est qualifié d'isomoléculaire.

Un échantillon polymère est dit monodisperse si I < 1,1. A contrario, pour certaines polymérisations, on peut avoir I > 50. Les valeurs les plus fréquemment rencontrées sont de l'ordre de 3 à 4.

Les propriétés des polymères dépendent grandement des masses moyennes en poids et en nombre :
Des propriétés mécaniques élevées nécessitent une \bar M_n élevée tandis qu'une mise en œuvre aisée demande une \bar M_wmodérée. La combinaison de bonnes propriétés à l'état solide et d'une facilité de mise en œuvre à l'état fondu nécessitent donc d'avoir un I le plus faible possible.

Les différents degrés moyens de polymérisation

Il est égal au nombre moyen de motifs monomères dans les chaînes polymères.
\bar {DP_n} = \frac {\sum_i i \times N_i } { \sum_i N_i}
Si M0 est la masse molaire d'un motif monomère, on a également :
\bar {DP_n}= \frac {\bar M_n } { M_0}
\bar {DP_w} = \frac {\sum_i i \times N_i^2 } { \sum_i i \times N_i}

Remarques :

Exemples de polymères

Voir aussi


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