Comportement mécanique des polymères - Mécanique Matériaux ...
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<strong>Comportement</strong><br />
<strong>mécanique</strong> <strong>des</strong> <strong>polymères</strong><br />
Noëlle BILLON<br />
MINES DE PARIS - CENTRE DE MISE EN FORME DES MATERIAUX - UMR CNRS 7635
<strong>Comportement</strong> <strong>mécanique</strong> <strong>des</strong> <strong>polymères</strong><br />
Généralités<br />
Effet de la température<br />
a) Présentation<br />
b) Faibles déformation – Notion de transitions<br />
c) Autres caractéristiques<br />
La viscoélasticité<br />
Effet de vitesse et équivalence temps-température<br />
Origine moléculaire<br />
Effet de l’architecture <strong>des</strong> chaînes<br />
Grande déformation – Plasticité<br />
MINES DE PARIS - CENTRE DE MISE EN FORME DES MATERIAUX - UMR CNRS 7635
<strong>Comportement</strong> <strong>mécanique</strong> <strong>des</strong> <strong>polymères</strong><br />
En un mot<br />
Diversité<br />
Dans les types de comportement Dans les paramètres influant<br />
- Fragiles<br />
-Ductiles<br />
- Élastiques<br />
- Hyper élastiques<br />
- Visco élastiques<br />
- Durcissants<br />
- Adoucissants<br />
Visco – élasticité, plasticité<br />
- Polymère<br />
- Formulation<br />
- Mise en oeuvre<br />
- Sollicitation<br />
- Environnement<br />
- Conditionnement<br />
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3 gran<strong>des</strong> classes macroscopiques<br />
Force<br />
Rigide - fragile<br />
Striction<br />
Un exemple: la traction uniaxiale<br />
Ductile Caoutchoutique<br />
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Allongement
Rigide fragile:<br />
Les thermodurcissables très réticulés<br />
Mais aussi<br />
Tous les autres à hautes vitesses, hautes pressions et basses<br />
températures<br />
Les chargés fibres …<br />
Ductile:<br />
Thermoplastiques amorphes à vitesse et température intermédiaires<br />
Thermoplastiques semi-cristallins<br />
Caoutchoutique:<br />
Thermoplastiques amorphes et les élastomères à haute température<br />
ou basse vitesse<br />
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Pour une condition donnée<br />
on trouve “toujours”<br />
un polymère de chaque classe<br />
Pour un polymère<br />
on trouve “toujours” (ou presque)<br />
une condition qui le fait rentrer dans une classe ou une autre<br />
- Environnement<br />
- Sollicitation<br />
Température<br />
Pression<br />
- Formulation<br />
Vitesse<br />
Mode<br />
- Conditionnement<br />
MINES DE PARIS - CENTRE DE MISE EN FORME DES MATERIAUX - UMR CNRS 7635<br />
- Mise en oeuvre
<strong>Comportement</strong> <strong>mécanique</strong> <strong>des</strong> <strong>polymères</strong><br />
Généralités<br />
Effet de la température<br />
a) Présentation<br />
b) Faibles déformation – Notion de transitions<br />
c) Autres caractéristiques<br />
La viscoélasticité<br />
Effet de vitesse et équivalence temps-température<br />
Origine moléculaire<br />
Effet de l’architecture <strong>des</strong> chaînes<br />
Grande déformation – Plasticité<br />
MINES DE PARIS - CENTRE DE MISE EN FORME DES MATERIAUX - UMR CNRS 7635
Force (N)<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
70°C<br />
90°C<br />
110°C<br />
130°C<br />
0 10 20 30 40 50 60<br />
Displacement (mm)<br />
135°C<br />
20<br />
mm<br />
40 mm<br />
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Vitesse constante<br />
Lubrification<br />
Réversible !
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Polyéthylène téréphtalate (PET)<br />
amorphe, 0,01 s -1<br />
Contrainte (MPa)<br />
200<br />
150<br />
23 °C 75 °C 85 °C 95 °C<br />
100<br />
50<br />
Polycarbonate (PC) amorphe,<br />
0,001 s -1<br />
Contrainte (MPa)<br />
23 °C<br />
50 °C<br />
80 °C<br />
120 °C<br />
Taux d'élongation (L/L )<br />
0<br />
Déformation<br />
2 4 6 8 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1<br />
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Compression 10 -3 s -1<br />
140 °C
<strong>Comportement</strong> <strong>mécanique</strong> <strong>des</strong> <strong>polymères</strong><br />
Généralités<br />
Effet de la température<br />
a) Présentation<br />
b) Faibles déformation – Notion de transitions<br />
c) Autres caractéristiques<br />
La viscoélasticité<br />
Effet de vitesse et équivalence temps-température<br />
Origine moléculaire<br />
Effet de l’architecture <strong>des</strong> chaînes<br />
Grande déformation – Plasticité<br />
MINES DE PARIS - CENTRE DE MISE EN FORME DES MATERIAUX - UMR CNRS 7635
Log(Module)<br />
Plusieurs déca<strong>des</strong><br />
Polymères amorphes soli<strong>des</strong> si on regarde les modules<br />
Vitreux<br />
fragile<br />
Vitreux<br />
ductile<br />
Transition sous<br />
vitreuse ββββ<br />
Transition<br />
vitreuse αααα<br />
Caoutchoutique<br />
Élastomère<br />
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Fluide<br />
Écoulement<br />
Température
Module<br />
Amorphe<br />
Vitreux<br />
Fragile<br />
Polymères thermoplastiques soli<strong>des</strong><br />
Semi-cristallin<br />
Vitreux Ductile<br />
Transition sur vitreuse<br />
Transition vitreuse<br />
Caoutchoutique<br />
Élastomère<br />
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Fusion<br />
Écoulement<br />
Température
2 109 2 10 9 2 109 2 10 9<br />
1 109 1 10 9 1 109 1 10 9<br />
Le polypropylène (PP) semi cristallin. Tg = -20<br />
°C, Transition à 40 – 60 °C. Fusion 160 °C<br />
Module (Pa)<br />
- 20 0 20 40<br />
Température (°C)<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
Contrainte (MPa)<br />
0,001 s-1<br />
25 °C<br />
0<br />
0 0,5 1<br />
Déformation<br />
1,5 2<br />
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35 °C<br />
50 °C<br />
65 °C
<strong>Comportement</strong> très dépendant de la température<br />
Existence de transitions qui se traduisent par une évolution brutale<br />
Fragile – ductile, Vitreuse et d’autres sous ou sur vitreuse<br />
La plus importante est la transition vitreuse qui s’accompagne<br />
d’un changement profond du comportement<br />
L’amplitude <strong>des</strong> transitions dépend du polymère<br />
e.g. la transition vitreuse n’affecte que l’amorphe<br />
Moins sensible pour un polymère semi cristallin<br />
La position <strong>des</strong> transitions dépendent du polymère<br />
e.g. Tg: -20 (PP), 77 (PET), 105 (PS) 140 °C (PC)<br />
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et de la vitesse
Module<br />
Propriétés d’emploi<br />
Polymères thermoplastiques<br />
Mise en forme: extrusion, injection<br />
Mise en forme: thermoformage, soufflage<br />
Transition vitreuse<br />
Semi-cristallin<br />
Elastomère<br />
Amorphe<br />
Vitreux<br />
Fragile Vitreux Ductile<br />
Caoutchoutique<br />
Fusion<br />
MINES DE PARIS - CENTRE DE MISE EN FORME DES MATERIAUX - UMR CNRS 7635<br />
Développement de microstructure<br />
Température
Du point de vue technologique il faut d’abord localiser les transitions<br />
Un polymère semi cristallin peut être utilisé au <strong>des</strong>sus de sa transition vitreuse<br />
Un polymère amorphe ne peut pas être utilisé au <strong>des</strong>sus de sa transition vitreuse<br />
Si on a besoin de cette grande élasticité il faut le réticuler<br />
Ce sont les élastomères : <strong>polymères</strong> amorphes réticulés au <strong>des</strong>sus de la transition<br />
vitreuse par définition<br />
Un polymère semi cristallin ne peut pas être mis en forme sur son plateau<br />
caoutchoutique (il faut entrer dans sa zone de fusion)<br />
Un polymère amorphe peut être transformé à l’état caoutchoutique<br />
MINES DE PARIS - CENTRE DE MISE EN FORME DES MATERIAUX - UMR CNRS 7635
<strong>Comportement</strong> <strong>mécanique</strong> <strong>des</strong> <strong>polymères</strong><br />
Généralités<br />
Effet de la température<br />
a) Présentation<br />
b) Faibles déformation – Notion de transitions<br />
c) Autres caractéristiques<br />
La viscoélasticité<br />
Effet de vitesse et équivalence temps-température<br />
Origine moléculaire<br />
Effet de l’architecture <strong>des</strong> chaînes<br />
Grande déformation – Plasticité<br />
MINES DE PARIS - CENTRE DE MISE EN FORME DES MATERIAUX - UMR CNRS 7635
10<br />
Log(Module initial)<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
Zone<br />
vitreuse<br />
Zone<br />
viscoélastique<br />
Vitesse<br />
Zone<br />
caoutchoutique<br />
Ecoulement<br />
Température σ<br />
R<br />
Rupture<br />
Vitesse de déformation<br />
Transition vitreuse<br />
Tg Température<br />
Température<br />
ε R<br />
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ε croissant<br />
.<br />
Seuil apparent
<strong>Comportement</strong> <strong>mécanique</strong> <strong>des</strong> <strong>polymères</strong><br />
Généralités<br />
Effet de la température<br />
a) Présentation<br />
b) Faibles déformation – Notion de transitions<br />
c) Autres caractéristiques<br />
La viscoélasticité<br />
Effet de vitesse et équivalence temps-température<br />
Origine moléculaire<br />
Effet de l’architecture <strong>des</strong> chaînes<br />
Grande déformation – Plasticité<br />
MINES DE PARIS - CENTRE DE MISE EN FORME DES MATERIAUX - UMR CNRS 7635
Force (N)<br />
800<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
Vitesse – température<br />
PS<br />
Impact multiaxial<br />
110°C - 3m/s<br />
110°C - 1m/s<br />
130°C - 3m/s<br />
130°C - 1m/s<br />
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50<br />
Déplacement (mm)<br />
Double effet de la<br />
vitesse et de la température<br />
10 9<br />
10 9<br />
10 8<br />
10 8<br />
10 7<br />
10 7<br />
10 6<br />
10 6<br />
40 60 80 100 120 140 160 180<br />
MINES DE PARIS - CENTRE DE MISE EN FORME DES MATERIAUX - UMR CNRS 7635<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
PET<br />
DMA torsion<br />
T<br />
α<br />
PET<br />
Traction<br />
PET 85°C -90°C<br />
95°C<br />
100 rad/s<br />
10 rad/s<br />
1 rad/s<br />
0.1 rad/s<br />
Temperature (°C)<br />
0.01<br />
0.005<br />
0.001<br />
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3<br />
Déformation
0.8<br />
0.7<br />
0.6<br />
0.5<br />
0.4<br />
0.3<br />
0.2<br />
0.1<br />
PS<br />
Contrainte (MPa)<br />
120 °C - 0,2 s -1<br />
116 °C - 0,08 s -1<br />
115 °C - 0,0005 s -1<br />
128 °C - 0,08 s -1<br />
Déformation cumulée<br />
0<br />
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4<br />
Équivalence temps température<br />
⎛<br />
E<br />
⎜⎜<br />
⎝<br />
Si<br />
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T<br />
.<br />
εεεε<br />
0<br />
><br />
, T<br />
T<br />
0<br />
0<br />
⎞<br />
⎟⎟<br />
⎠<br />
=<br />
⎛<br />
E<br />
⎜⎜<br />
⎝<br />
alors<br />
.<br />
εεεε<br />
.<br />
εεεε<br />
⎞<br />
, T<br />
⎟⎟<br />
⎠<br />
Fluage, relaxation : comportement aux temps longs à T est<br />
équivalent au comportement aux temps courts à T’ (T’>T)<br />
><br />
.<br />
εεεε<br />
0
Module<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
1<br />
0.1<br />
0.01<br />
0.001<br />
10 -8<br />
Au-delà du qualitatif<br />
Si l’on reporte l’évolution du module avec la vitesse pour différentes<br />
températures en échelle log-log on obtient un faisceau de courbes parallèles<br />
T1<br />
T 0<br />
10 -6 0.0001 0.01 1 100 10 4<br />
Vitesse ou fréquence<br />
T 2<br />
180<br />
Chacune se déduit de<br />
l’autre par translation<br />
horizontale<br />
Une référence est choisie: T 0<br />
Les courbes sont ramenées sur<br />
cette courbe par translation<br />
L’ampleur <strong>des</strong> translations, lg(a),<br />
dépend de la température<br />
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1,E+10<br />
1,E+09<br />
1,E+08<br />
1,E+07<br />
1,E+06<br />
1,E+05<br />
lg(a )<br />
La forme la plus connue pour a est celle de William Landel et Ferry :<br />
( )<br />
0<br />
−C1 T − T0<br />
= T 0<br />
− C2 + T − T0<br />
g 2 ⎧ ⎪C1<br />
= C1 = 17.44<br />
Si T0 = Tg on admet ⎨ g 2<br />
⎪⎩ C 2 = C2 = 51.6<br />
T 0 est la température de référence<br />
Pa<br />
Un exemple expérimental<br />
Le polystyrène<br />
0<br />
⎧ ⎪C1<br />
= 11.8<br />
T0 = 100 on admet ⎨ 0<br />
⎪⎩ C 2 = 72<br />
Fondamental<br />
Toujours prendre en compte les<br />
vitesses<br />
Solliciter vite c’est solliciter à froid<br />
Dans son usage normal un polymère<br />
peut balayer <strong>des</strong> types de<br />
comportement très variables<br />
Il faut adapter la caractérisation à<br />
l’application<br />
10 ° une à deux déca<strong>des</strong> de vitesse<br />
1,E-04 1,E-03 1,E-02 1,E-01 1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03<br />
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Fréquence (rad/s)
Déformation<br />
Contrainte<br />
Relaxation<br />
Temps<br />
Temps<br />
Contrainte<br />
Déformation<br />
Part retardée<br />
e 2 + e 3<br />
Part instantanée<br />
e 1<br />
Fluage<br />
Temps<br />
Temps<br />
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e 1<br />
e 2<br />
Irréversible e 3<br />
Supposée
Log(J)<br />
Vitreux<br />
Visco élastique<br />
Plusieurs déca<strong>des</strong> Fluage : J = complaisance (Déformation/contrainte)<br />
5 à 10 déca<strong>des</strong><br />
Caoutchoutique<br />
Log(Temps)<br />
Écoulement<br />
Le comportement observé dépend de l’échelle de temps propre<br />
au polymère qui peut être défini par τ’ (temps de retardation)<br />
Verre: τ’ est grand devant le temps de la sollicitation<br />
On se place aux temps courts<br />
Élastomère: τ’ est petit devant le temps de la sollicitation<br />
MINES On DE PARIS se - CENTRE place DE MISE aux EN FORME temps DES MATERIAUX longs - UMR CNRS 7635<br />
τ'
D’un point de vue pratique:<br />
* Module apparent fonction de la vitesse<br />
* Retour non instantané à la décharge<br />
* Fluage <strong>des</strong> structures sous charge<br />
* Relaxation <strong>des</strong> contraintes<br />
Précaution d’emploi et de caractérisation<br />
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<strong>Comportement</strong> <strong>mécanique</strong> <strong>des</strong> <strong>polymères</strong><br />
Généralités<br />
Effet de la température<br />
a) Présentation<br />
b) Faibles déformation – Notion de transitions<br />
c) Autres caractéristiques<br />
La viscoélasticité<br />
Effet de vitesse et équivalence temps-température<br />
Origine moléculaire<br />
Effet de l’architecture <strong>des</strong> chaînes<br />
Grande déformation – Plasticité<br />
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Le lien avec la microstructure ?<br />
La <strong>mécanique</strong> <strong>des</strong> milieux continus est un concept<br />
Dans la vraie vie la matière doit accommoder la sollicitation via<br />
<strong>des</strong> processus élémentaires<br />
La contrainte est une réponse à la perturbation de l’énergie du<br />
système: enthalpie et/ou entropie<br />
Donc<br />
Comment peut-on déformer le polymère ?<br />
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Épisode précédent<br />
Cristal de<br />
« petites molécules »<br />
Élasticité enthalpique<br />
Plasticité via <strong>des</strong> systèmes<br />
de glissement<br />
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Rendu possibles par<br />
les défauts et les<br />
dislocations
Trois différences majeures « avec les mains »<br />
1 – chaînes <strong>polymères</strong> déformables<br />
Déformer un polymère ce n’est pas un déplacement relatif d’objets rigi<strong>des</strong> mais<br />
c’est déplacer et/ou déformer <strong>des</strong> objets « souples »<br />
2- Le polymère peut être semi cristallin<br />
Plusieurs niveaux d’organisation intermoléculaires<br />
Il y a toujours une phase amorphe<br />
2- Le polymère est toujours formulé<br />
Milieu hétérogène<br />
Processus potentiellement multiples<br />
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Chaîne polymère constituée de liaisons covalentes sur son squelette et avec les<br />
substituants, c’est sa configuration<br />
Pour une même configuration plusieurs arrangements spatiaux existent<br />
Ce sont les conformations<br />
2 niveaux<br />
Conformation locale<br />
résulte de la structure covalente locale et <strong>des</strong><br />
interaction entre groupements non liés<br />
e.g. Orientation relative <strong>des</strong> groupes latéraux<br />
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« tête-queue »<br />
Iso-, Syndio- A-tactique etc.<br />
Conformation globale<br />
(à l ’échelle de la chaîne) résulte de la disposition<br />
relative <strong>des</strong> atomes ou groupes constituant le<br />
squelette de la chaîne.<br />
Pour un chaîne vinylique (CH 2 -CHR) c ’est une<br />
succession de conformations trans, Gauche +, Gauche -<br />
Compte tenu de la longueur <strong>des</strong> chaîne<br />
Pas de corrélation à longue distance
Cristal polymère ?<br />
Pour qu ’un polymère cristallise il faut:<br />
1) Une configuration régulière<br />
Fixée à la synthèse<br />
2) Que <strong>des</strong> potions de chaînes adoptent une conformation locale donnée<br />
Nécessite de la mobilité moléculaire pour amorcer <strong>des</strong> mouvements plus ou moins coopératifs<br />
3) Que ces portions se positionnent dans un réseau<br />
Nécessite <strong>des</strong> substituants non encombrant et interactions inter-chaînes<br />
Donc<br />
Motif = Portion de chaîne + Une conformation<br />
Maille = Système « classique »<br />
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ex. Le PET<br />
Dans le cristal seule la<br />
conformation trans la plus<br />
étendue<br />
2 isomères<br />
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Liaisons H<br />
Une seule phase cristalline connue<br />
• Un motif monomère par maille<br />
• Conformation trans<br />
• Objet planaire<br />
• Chaîne parallèle à C<br />
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Les <strong>polymères</strong> ne sont jamais<br />
100 % cristallins<br />
L, longue<br />
période<br />
Amorphe<br />
Cristal<br />
Amorphe<br />
Cristal<br />
Modèle à 2 phases dans le polymère massif<br />
Lamelle, longue période, taux de cristallinité<br />
Dans le cristal la conformation est stabilisée par les interactions<br />
En 1 ère approche le cristal se comporte comme n’importe quel cristal<br />
Élasticité enthalpique + Systèmes de glissement<br />
Quelques systèmes disparaissent à cause <strong>des</strong> liaisons<br />
covalentes de la chaîne<br />
Peut être quelques processus de relaxation (cf. PP)<br />
Des différences MINES pour DE les PARIS propagations - CENTRE DE MISE de EN dislocations FORME DES MATERIAUX liées -àUMR la CNRS taille 7635du<br />
cristal<br />
l a<br />
l c
La différence est dans la phase amorphe<br />
Il existe <strong>des</strong> molécules lien<br />
Une fois les systèmes de glissement activés, les lamelles déstructurées<br />
Processus de Peterlin<br />
Texturation<br />
Durcissement structural très supérieur à celui amené par les<br />
dislocations; Strictions stables – effet charnière<br />
Anisotropie induite donc sensibilité au mode de chargement<br />
Déformations plus gran<strong>des</strong><br />
Mais l’amorphe s’est déformé avant et avec le cristal<br />
Comment MINES peut-on DE PARIS - CENTRE déformer DE MISE EN FORME les chaînes DES MATERIAUXamorphes - UMR CNRS 7635 ?
Polymère amorphe:<br />
Des pelotes plus ou moins perturbées par l’écoulement durant la<br />
mise en forme<br />
et plus ou moins enchevêtrées (aussi fonction de l’histoire)<br />
Liaisons covalentes « intouchables »<br />
Pour un polymère amorphe le mouvement de base est le<br />
basculement <strong>des</strong> substituants sur les cônes de valence<br />
Sur le cône de valence <strong>des</strong> puits de potentiels existent<br />
Pour déformer la chaîne il faut franchir <strong>des</strong> énergies d’activation<br />
L’activation thermique kT peut être suffisante pour augmenter<br />
les probabilités de « sauts »<br />
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PET Amorphe simplifié<br />
Deux conformères<br />
Trans Gauche<br />
Chaîne = succession de conformations gauche et trans<br />
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ϕ
Déformer cette chaîne= Augmenter le taux de trans<br />
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Allonger la chaîne<br />
Augmenter le taux de conformation « étendue »<br />
On relâche<br />
Retour au taux d’équilibre<br />
Élasticité<br />
ici<br />
ΔU = ΔF = ΔH – T ΔS ΔS >> ΔH<br />
Entropique<br />
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Écoulement : déplacement relatif <strong>des</strong> chaînes<br />
Chaque chaîne délimite une zone d’encombrement stérique<br />
Chaque chaîne a « un tube » de volume libre dans lequel elle peut se déplacer<br />
Elle se déplace en propageant <strong>des</strong> changements de conformation locale<br />
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Quand T augmente certains mouvements sont facilités<br />
<strong>Mécanique</strong>ment on ressent <strong>des</strong> transitions<br />
La chaîne devient « plus » déformable<br />
La transition vitreuse correspond ou moment où <strong>des</strong><br />
mouvements coopératifs sur le squelette de la chaîne<br />
deviennent possible<br />
Parfois reliée à <strong>des</strong> transitions sous vitreuses (changement de conformation locale)<br />
Tous ces mouvements ont leur échelle de temps propre<br />
Si la sollicitation est trop rapide les processus n’ont<br />
pas le temps d’être activés<br />
Si on va trop vite la chaîne paraît moins souple<br />
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10<br />
9 Zone<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
vitreuse<br />
log (Module Pa)<br />
Zone<br />
viscoélastique<br />
Transition vitreuse<br />
Tg<br />
Zone<br />
caoutchoutique<br />
Température<br />
Écoulement<br />
État tat fluide<br />
Les changements de conformation <strong>des</strong><br />
chaînes sont très rapi<strong>des</strong>.<br />
Elles s’enchevêtrent et se désenchevêtrent<br />
quasi instantanément au regard de la<br />
sollicitation<br />
Les chaînes apparaissent indépendantes<br />
La sollicitation <strong>mécanique</strong> les fait<br />
s’écouler<br />
La déformation est irréversible<br />
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10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
log (Module Pa)<br />
Zone<br />
vitreuse<br />
Zone<br />
viscoélastique<br />
Transition vitreuse<br />
Tg<br />
Température<br />
Zone<br />
caoutchoutique<br />
Ecoulement<br />
Nœud<br />
réticulation<br />
enchevêtrement<br />
État tat caoutchoutique<br />
Les changements de conformation sont<br />
comparables à la sollicitation<br />
Désenchevêtrent moins probables mais pas<br />
totalement impossible<br />
Les chaînes apparaissent reliées<br />
Les enchevêtrement, cristaux et autres<br />
liaisons fortes jouent le rôle de point de<br />
réticulation<br />
La sollicitation <strong>mécanique</strong> allonge les<br />
chaînes<br />
La déformation est majoritairement<br />
réversible mais une part faible<br />
d’écoulement<br />
Élasticité entropique<br />
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1<br />
bi<br />
État tat vitreux<br />
mouvement à l'échelle atomique<br />
Changement de conformation locale<br />
2<br />
i<br />
Élasticité enthalpique<br />
3<br />
4<br />
i<br />
log (Module Pa)<br />
Zone<br />
10<br />
vitreuse<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
Zone<br />
viscoélastique<br />
Transition vitreuse<br />
Tg<br />
Zone<br />
caoutchoutique<br />
Température<br />
Ecoulement<br />
État tat viscoélastique<br />
visco lastique :<br />
Les changements conformationnels globaux<br />
sont de plus en plus difficile<br />
Maximum de dissipation<br />
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<strong>Comportement</strong> <strong>mécanique</strong> <strong>des</strong> <strong>polymères</strong><br />
Généralités<br />
Effet de la température<br />
a) Présentation<br />
b) Faibles déformation – Notion de transitions<br />
c) Autres caractéristiques<br />
Effet de vitesse et équivalence temps-température<br />
La viscoélasticité<br />
Vision macroscopique<br />
Origine moléculaire<br />
Effet de l’architecture <strong>des</strong> chaînes<br />
Grande déformation – Plasticité<br />
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10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
log (Module Pa)<br />
Effet de structure de chaîne<br />
Température<br />
10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
log (Module Pa)<br />
M3 > M2 > M1<br />
réticulé<br />
M<br />
1<br />
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M<br />
2<br />
M 3<br />
Température<br />
Réticulation, i.e. les élastomères La masse molaire
10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
log (Module Pa)<br />
M3 > M2 > M1<br />
M<br />
M<br />
1<br />
M<br />
2<br />
M3<br />
Température<br />
Masse en nœud de réticulation<br />
10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
log (Module Pa)<br />
amorphe<br />
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élevé<br />
moyen<br />
faible<br />
Température<br />
Cristallin (
<strong>Comportement</strong> <strong>mécanique</strong> <strong>des</strong> <strong>polymères</strong><br />
Généralités<br />
Effet de la température<br />
a) Présentation<br />
b) Faibles déformation – Notion de transitions<br />
c) Autres caractéristiques<br />
Effet de vitesse et équivalence temps-température<br />
La viscoélasticité<br />
Vision macroscopique<br />
Origine moléculaire<br />
Effet de l’architecture <strong>des</strong> chaînes<br />
Grande déformation – Plasticité<br />
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Polycarbonate<br />
Limite d’élasticité 200<br />
apparente dépendente de la<br />
vitesse et la température et<br />
du mode de chargement<br />
Mais danger comment 150<br />
différencier plasticité et visco<br />
élasticité aux temps longs<br />
Visco-élasticité plus ou<br />
moins linéaire<br />
Disymétrie traction<br />
compression<br />
100<br />
50<br />
0<br />
Contrainte (MPa)<br />
Traction<br />
Compression<br />
Torsion<br />
Adoucissement sensible au<br />
vieillissement physique<br />
Écoulement « plastique »<br />
Déformation Changements de<br />
microstructure<br />
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1<br />
Durcissement<br />
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Processus plastiques amorphes multiples<br />
Chaînes amorphes 2 processus élémentaires<br />
Craquelures<br />
Déformation non isochore. Inhibée par la pression<br />
Plutôt fragile<br />
10 à 100 nm<br />
0,01 à 1 mm<br />
Macromolécules<br />
1<br />
à<br />
10<br />
µm<br />
Ban<strong>des</strong> de cisaillement<br />
Déformation isochore<br />
Plus grande « plasticité»<br />
+<br />
Processus complexes<br />
Hétérogénéités (charges, adjuvants etc.)<br />
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Gran<strong>des</strong> caractéristiques du seuil de plasticit& pour les <strong>polymères</strong><br />
Dissymétrie traction-compression<br />
σ2<br />
120<br />
80<br />
40<br />
-40<br />
-80<br />
40<br />
80<br />
σ1<br />
Température – vitesse<br />
Température<br />
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ε .<br />
croissant<br />
Seuil même ordre de grandeur que le module<br />
Durcissement structural >> Métaux<br />
Plasticité avec variation de volume
Le polymère peut être décrit à plusieurs échelles chacun jouant un<br />
rôle dans son comportement<br />
La chaîne et ses conformations (entropie)<br />
Les interactions inter-chaînes (enthalpie)<br />
L’organisation inter chaînes:<br />
Enchevêtrements orientation de l’amorphe<br />
Système et texture <strong>des</strong> semi-cristallins<br />
Périodicité amorphe – cristal (taille <strong>des</strong> lamelles)<br />
Le sphérolite<br />
Les hétérogénéités de mise en forme<br />
Processus thermoactivés multiples<br />
Équivalence temps - température<br />
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Pièce injectée :<br />
Structure polygonale<br />
Sphérolite<br />
1-10 µm<br />
Maille<br />
1-10 Ǻ<br />
2-3 mm<br />
Gradient de microstructure;<br />
Structure coeur peau<br />
100 µm<br />
charges dure ou<br />
molle - micro<br />
(nano)métrique<br />
inter (intra)<br />
sphérolitique<br />
Structure en lamelle<br />
Amorphe 100 Ǻ<br />
Cristal<br />
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Pelote<br />
Adjuvants
Les propriétés sont donc régies par<br />
L’architecture du polymère<br />
les monomères la nature <strong>des</strong> chaînes la longueur <strong>des</strong> chaînes<br />
souplesse du squelette, capacité à la coopérativité et interactions physico<br />
chimique et physique (enchevêtrements)<br />
La formulation du polymère<br />
Additifs, plastifiants : interaction inter chaînes<br />
Agents nucléants : organisation semi-cristalline (taux et taille)<br />
Mélanges, composites, charges : hétérophases modifient le chargement local<br />
La mise en œuvre qui peut modifier<br />
* L’architecture du matériau<br />
* La formulation en consommant <strong>des</strong> additifs<br />
* L'organisation <strong>des</strong> chaînes : extension et orientation moléculaire; cristallisation et texturation<br />
cristalline<br />
* L’organisation spatiale <strong>des</strong> constituants, répartition et orientations <strong>des</strong> charges et phases.<br />
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