POLYMERES ET COMPOSITES - LMC - EPFL

POLYMERES 

ET 

COMPOSITES

Plan 

1. DEFINITON 

2. CONSTITUTION CHIMIQUE 

3. ARCHITECTURE MOLECULAIRE ET 

RESEAU 

4. MASSE MOLECULAIRE 

5. MATIERE PREMIERE 

6. REACTIONS DE SYNTHESE 

7. CLASSIFICATION SUIVANT LES 

PROPRIETES 

8. TEMPERATURE DE TRANSITION VITREUSE 

9. AJUVANTS 

10. MISE EN FORME 

11. PROPRIETES 

12. EMPLOI EN CONSTRUCTION 

13. COMPOSITES 

14. DURABILITE 

15. REFERENCES 

A. Guidoum Matériaux de Construction 2

1. DEFINITON 

Sous le nom générique de polymère ou de matière 

plastique, on désigne une vaste gamme de matériaux 

extraits artificiellement de substances organiques et qui 

présentent la propriété de pouvoir être formés par 

échauffement. 

Caractéristiques communes des matières plastiques : 

• Ils sont appelés plastiques, car à un certaine étape ils 

sont plastiques 

30 à 40% de la production via le Génie Civil 

Il existe des polymères naturels et de synthèse. 

Exemples : 

caoutchoucs 

matières plastiques 

bitumes 

bois 

cuir 

paille 

Etats : 

massifs 

expansés 

fibres 

textiles 

feutres 

liants 


Basse densité Détérioration par UV 

En faisant varier les 

liaisons des atomes de 

carbone, on peut une 

variété infinie de matière 

plastique 

A. Guidoum Matériaux de Construction 4 

Sensible à la température 

Généralement inertes Mou (bas module 

d’élasticité) 

Facilité de mise en forme 

et de moulage 

Susceptible au feu 

Bon isolant thermique Matière première limitée 

2. UTILISATION DANS LE BATIMENT 

Applications non structurelles : 

Composants dans l’enveloppe du bâtiment, étanchéité, 

adhésifs, réparation, finition intérieure

3. CONSTITUTION CHIMIQUE 

Chaînes avec squelette généralement carbonée 

macromolécules 

Trois éléments principaux à la base de structures sont : 

carbone, oxygène, silicium 

La structure linéaire la plus simple : 

Fig. 1 : Structure d’une chaîne macromoléculaire; a) squelette carbonée ; b) 

polyéthylène (-CH 2-) n 

Fig. 2 : Vue générale de la structure du diamant (liaisons uniquement 

covalentes). 


4. ARCHITECTURE MOLECULAIRE ET 

RESEAU 

• linéaires 

• branchés 

• réticulés 

• 

copolymères 

Figure 3 : Représentation schématique des polyéthylènes: a)linéaires ; 

b)ramifiés ; c)réticulés. 


5. MATIERE PREMIERE 

Pétrole ( brut 80% d’hydrocarbures saturés à faible 

réactivité chimique); 

autres : gaz naturel, sables bitumineux (coût 

d’extraction élevé), houille. 

Fabrication des monomères à partir du pétrole : 

- déhydrogénisation du pétrole brut introduction des 

liaisons doubles plus réactives par craquage et 

distillation 

- introduction des hétéroatomes : O, N, S, Cl 

Pour produire un état solide de très grandes molécules 

doivent être produites. La polymérisation c’est lier des 

simples molécules ensemble pour former des plus 

grandes. 

polymérisation 

Monomères =========> polymère 


6 . REACTIONS DE SYNTHESE 

a) polyaddition ou polymérisation en chaîne,entraîne la 

formation des macromolécules pouvant se ramifier. 

exemples : PVC, PMMA, 

Polymérisation (d'un monomère) 

b) polymérisation par étape ou polycondensation 

2 différents types de monomères contenant des 

groupes réactifs sont nécessaires. L’augmentation du 

nombre des groupes réactifs engendre un réseauet 

fournit un ensemble de molécules doté de propriétés 

nouvelles comme des thermoplastes à haute 

résistance thermique et chimique, les fibres à haut 

module, les mousses rigides à porosité contrôlée, etc. 

exemples : 

• les polyesters, par exemple le polyéthylèneterephthalate 

ou PET (Mylar) 

éthylène glycol + acide térephthalique 

polyéthylène-terephthalate 

• les polyamides (PA) 

diamide + acide les polyamides, 

• PC, EP, polyuréthannes 


7. CLASSIFICATION SUIVANT LES 

PROPRIETES 

7.1 Classification selon les propriétés 

mécaniques. 

Figure 4 : classification du comportement mécanique des polymères selon leur 

structure. 


7.1.1 Les polymères thermoplastiques, ou 

thermoplastes 

Le groupe le plus important des polymères 

synthétiques, macromolécules de taille limitée, 

linéaire ou ramifié. 

Les thermoplastes peuvent exister à l’état semicristallin 

ou amorphe. 

polymères amorphes : 

chaînes stériquement irrégulière pelote (PS, PMMA, 

PC), transparents. 

polymères semi-cristallins : 

chaînes linéaires et flexibles cristallisation partielle 

translucides, plus grande résistance à la température et 

aux agents chimiques. 

Fig. 5 : Schéma de la structure semi-cristalline d’un polymère. 


7.1.2 Les élastomères 

◊ obtenus à partir de polymères linéaires ayant des 

liaisons secondaires extrêmement faibles, 

◊ on peut les considérer comme des liquides très 

visqueux 

◊ pontage 

◊ déformabilité >1000% (faible densité de réticulation) 

◊ module d'élasticité lié à la faible densité de 

réticulation. 

7.1.3 Polymères thermodurcissables ou les 

thermodurcis 

Une seule macromolécule de taille infiniment grande 

(dimension macroscopique de l'objet réalisé); 

◊ presque toujours amorphe, 

◊ généralement à deux composants, 

◊ fortement réticulé (10 à 1000X> élastomères) 

◊ caractéristiques mécaniques meilleures que les 

thermoplastes, meilleures résistances à la 

température 

◊ réticulation à l’aide de la température ou des UV 

◊ structure 3D 

◊ infusibles (se décomposent à T élevée) et insolubles 

(non recyclables) 

◊ mise en forme moins rapide et moins facile que les 

themoplastes, car la réaction de réticulation est lente 


7.2 Exemples 

7.2.1 Thermoplastes 

• Polyéthylène (PE) 

polymérisation de l’éthylène par compression de 1000 à 

2000 MPa et à une température de 150 à 300°C, utilisé 

pour la fabrication de feuilles barrière, récipients 

domestiques, canalisation des eaux usées (HD) 

fragilisé par UV=>noire de carbone 

Monomère: C2H4 ou CH2=CH2 

ouverture de la double liaison : 

Polymère: -CH2-CH2-CH2-CH2-CH2- 

• Polytétrafluoroethylène (PTFE: Téflon) 

-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2- 

Forte attraction des chaînes et cristallisation => grande 

stabilité, peu de friction mécanique, peu inflammable et 

point de fusion élevé structure hélicoidale => stabilité 

du cristal, T =350°C, comme ruban dans les joints des 

tuyaux, mélangé avec fibres de verre, dans des toitures 


• Polychlorure de vinyle (PVC) 


Millennium dome 

-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl- 

Dur, inflammable, résistant à l’attaque des acides et des 

bases ; se ramollit à 80°C. A T élevée (200°C), le PVC 

prend une fluidité trop basse pour l’injection ; on lui 

adjoint des plastifiants ; selon leur quantité, on peut 

obtenir des produits rigides, semi-rigides, flexibles ou 

élastiques. 

Revêtement de sol en PVC

Fenêtre en PVC 

Emplois : tuyauterie d’eau potable et d’eaux usées, 

gaines de ventilation, les profilés de menuiserie, les 

stores et les revêtements muraux et des sols. 

• Polypropylène (PP) 

-CH2-CHCH3-CH2-CHCH3-CH2-CHCH3- 

Dur et insoluble dans n’importe quel solvant organique. 

Sa résistance mécanique et chimique au-dessus de 

100°C permet son usage pour les appareils sanitaires et 

les conduites d’eau. Ajouté au béton sous forme de 

fibre, il améliore les propriétés mécaniques. 


• Polystyrène (PS) 

Se prête facilement au moulage et à l’extrusion, objets 

domestiques et éléments électriques. Il est aussi utilisé 

pour les peintures. En réchauffant les granulés de 

polystyrènes contenant un agent gonflant, on obtient un 

matériau expansé, utilisé pour les isolations thermiques. 


• Résine acrylique 

S’obtient par la polymérisation des d’esters de l’acide 

acrylique et de l’acide métacrylique. On obtient d’une 

part, des résines polyacryliques pour la fabrication 

d’isolants et de colle et d’autre part, les résines 

polymétacryliques, commercialisé sous le nom 

plexiglas. Ce produit a une bonne résistance chimique et 

mécanique ; il est transparent et se laisse facilement 

travailler ; il remplace souvent le verre, car il est plus 

léger et incassable. Egalement utilisé dans les peintures, 

comme liant dans le béton de polymère, réparation des 

fissures. Inflammable ! 


Résines : 

7.2.2 Thermodurcissables 

Phénol (PF) production industrielle : bakélite. 

Fabrication des laminés comme Formica. Adhésives 

résistants à l’eau (utilisation industrielle car très acide) 

Mélamine (MF); inflammables, résistants aux solvants, 

peuvent être colorés et émaillés ; fabrication des 

stratifiés. 

Polyester (UP) pour les peintures ou sous forme textile 

pour la fabrication des panneaux, souvent renforcé avec 

des fibres de verre. Citerne d’eau froide, piscine 

préfabriquée, … 

Epoxyde (EP) : très bonne résistance aux agents 

chimiques et à l’usure ; sont utilisés pour les 

revêtements de sol sans joints. Colles de qualité 


(araldite), très bonne capacité d’adhérence à l’acier et au 

bois. Béton de résine. Composite. Coût élevé mais très 

bonnes performances. 

7.2.3 Elastomères 

Grande capacité de déformation (>100%), faible E 

Utilisés comme produit d’étanchéité et appui 

déformable 

• caoutchouc naturel, NR 

Appuis pour les ponts, diminution de la vibration dans 

les bâtiments 


• caoutchouc silicone 

Pour étanchéité 

bonne adhésion, bonne propriétés élastiques, bonne 

durabilité, hydrophobe 

joint d’extension en silicone pour un point (tige d’appuis) en mousse de 

polyétylène 


8. TEMPERATURE DE TRANSITION 

VITREUSE 

Pour la plupart des polymères, il existe une température 

appelé la température de transition vitreuse, T g, qui 

marque une frontière entre deux états fondamentaux : 

• l’état caoutchoutique : mou, liquide visqueux (hautes 

températures) 

• l’état vitreux : dur et cassant (basses températures) 

Figure 6 : Variation du volume spécifique en fonction de la température pour 

des polymères amorphes, partiellement cristallin et cristallin 


8.1 Aspects mécaniques 

Figure 7 : Variation du module de cisaillement en fonction de la température 

pour un polymère amorphe. 


Figure 8 : Variation du module d’élasticité 

du polystyrène atactique 

linéaire et réticulé et du 

polystyrène isotactique semicristallin. 

8.2 Paramètres influençant la valeur de T g 

les paramètres les plus importants : 

• la flexibilité des chaînes 

• la taille et la polarité des groupes latéraux 

• la masse moléculaire 

PE : -80ºC, PS : 100ºC, PP : -20ºC

9. ADJUVANTS 

Malgré la grande variété des polymères, pour satisfaire 

les exigences de l’utilisation plusieurs additifs peuvent 

entrer dans la composition d’un polymère entraînant des 

variations importantes de leurs propriétés : 

1. Plastifiants : molécules à bas poids moléculaire, 

diminuent la force de liaison entre les chaînes, 

améliorent la souplesse d’un polymère rigide. 

2. Lubrifiants : facilitent les qualités de frottement . 

Ex. : poudre de téflon et talc 

3. Stabilisants : ralentissent la dégradation des 

polymère pendant la mise en œuvre ou l’utilisation 

en améliorant la résistance aux effets de chaleur, 

radiation et oxydation 

4. Ignifugeants : lors de combustion les polymères 

libèrent des gazes toxiques, les ignifugeants rendent 

plus difficile l’amorçage ou la propagation de la 

combustion 

5. Fillers : ajout de 5 à 60 % de filler permet de 

renforcer les propriétés mécaniques telles que la 

dureté, la résistance et la résistance à l’abrasion, 

diminuent le prix. Ex. noire de carbone ou 

carbonate de calcium 

6. Renforts: pour des applications structurelles 


10. MISE EN FORME 

10.1 Formage directe 

Le formage est réalisé par une seule opération. 

• moulage par coulée 

pour résines liquides comme polyesters insaturés, ou les 

époxydes. 

• extrusion 

fabrication en continu des produits thermoplastiques 

de faible sections par rapport à leur longueur. 

Ex. : tubes et profilés ; films, plaques, et gaines ; 

monofilaments ; isolation des câbles électriques 

Fig. 9. : coupe schématique d’une installation d’extrusion 

• moulage par compression ou transfert 

la mise en forme des thermodurcis 

introduction de la matière préchauffé à 90-110°C sous 

forme de pastille ou de poudre dans le moule chaud 

(130 à 160°C) 


Fig. 10 : moulage par compression 

• calandrage 

fabrication de feuilles, films, plaques en 

thermoplastes, notamment en PVC. 

Fig. 11. : installation de calandrage 


• moulage par injection des thermoplastiques ; 

fabrication des pièces immédiatement utilisables ; 

tous les thermoplastes sauf Téflon ; 

élastomères et thermodurcissables mais plus délicat ; 

risque de réticulation dans la vis. 

Fig. 12 : coupe schématique d’une installation de moulage par injection. 

10.2 Transformation 

• thermoformage 

déformer un film, une feuille ou une plaque 

préchauffés par aspiration ou emboutissage. 

• enrobage par microencapsulation 

la préparation d’agents chimiques physiques, 

pharmaceutiques ou alimentaires sous forme de 

microparticules ou microcapsules constitués par la 

substance enrobée dans une membrane protectrice de 

polymère. 

• métallisation des plastiques 

A. Guidoum Matériaux de construction, 25

11. PROPRIETES 

11.1 Généralités 

Avantages : 

• légers, ! " 1000 kg/m 3 (massifs) 

! " 100 kg/m 3 (mousses) 

• résistance mécanique élevée (Rt/! élevé) 

• résistance aux produits chimiques 

• isolants électriques 

• formables 

• usinables 

Inconvénients : 

• faible module d'élasticité et donc problème de stabilité 

• influence de temps et température sur les propriétés 

mécaniques 

• faible résistance au feu et à la chaleur 

• vieillissent 

11.2 Propriétés mécaniques 

• une macromolécule étendue a une forte tendance à se 

replier sur elle-même. 

• par conséquent, les polymères solides sont formés soit 

de molécules aléatoirement arrangées et enchevêtrées 

(polymères amorphes) soit de molécules partiellement 

cristallines. 


Le comportement mécanique est principalement 

déterminé par la nature et l’arrangement des chaînes : 

• si les chaînes bien distinctes, hautement repliées sur 

elles-mêmes et si leurs segments glissent facilement 

l’un par rapport à l’autre allongement réversible 

sous faibles contraintes élastomères 

Fig. 13 : Anisotropie et mobilité des chaînes flexibles. 

• si les forces d’attraction entre les segments (dues au 

vw) résistent à une sollicitation mécanique solides 

viscoélastiques (thermoplastes amorphes ou semicristallins) 


Fig. 14 : Représentations structurales dans un polymère amorphe dues à une 

extension unidirectionnelle; a) avant toute déformation, b) la 

déformation est limitée par l’enchevêtrement, c)structure 

paracristalline résultant d’un alignement parfait. 

Fig. 15 : Représentation structurale dans un polymère semi-cristallin dues à une 

très forte extension unidirectionnelle; a) avant toute 

déformation , b) après la déformation; a et b ne sont pas à la 

même échelle. 


Fig. 16 : Digramme de traction d’un thermoplaste sujet à la consolidation . 

Fig. 17 : Etat de déformation correspondant de l’éprouvette. 

De nombreux matériaux ont un comportement 

viscoélastique, c’est-à-dire un comportement 

intermédiaire entre un corps élastique et un liquide 

visqueux. La viscolélasticité est la caractéristique 

mécanique principale des thermoplastes et des 

polymères peu réticulés. 


Fig. 18 : Deux modes de déformation rencontrées en viscoélasticité : 

a) relaxation des contraintes : b) fluage. 

Pour les matériaux viscoélastiques, il existe une 

équivalence entre le temps de sollicitation et la 

température. Le comportement d’un matériau 

viscoélastique à température élevée pour des temps de 

sollicitation courts est équivalent à celui du même 

matériau à basse température, mais pour des temps plus 

longs. 

• réseau moléculaire tridimensionnel d’un thermodurci 

a une capacité de déformation très réduite 

Fig. 19 : Courbes de traction de quelques plastiques. 


12. EMPLOI EN CONSTRUCTION 

Béton avec des polymères : 

• béton imprégné de polymère 

• béton de polymère 

• béton de ciment et de polymère 

• 

PVC, PMMA, polyester, etc. 

Revêtements de sol : 

• PVC, résistance à l’usure et aux agents chimiques 

• résines 

Appuis déformables : 

Supports élastomères PTFE, caoutchoucs 

Tuyaux, gaines : 

PVC, PP, PB, fabriqués par extrusion 

Adhésives et produits d’étanchéités : 

étanchéités 

bonne adhérence au support, grande déformabilité, 

bas module d’élasticité, bonne résistance au 

vieillissement. 


joints : PU, silicones, polyacriliques 

Joint d’étanchéité à base de PU 

colles et adhésifs 

mouiller les surfaces collées, être chimiquement 

compatible avec les surfaces 

être résistant dans le milieu ambiant (ex. résine 

époxy, polyuréthannes, polyester, etc.) 


Mousses : 

• mousses rigides et semi-rigides comme âme de 

panneaux sandwich (aluminium + PS ou plâtres aux 

fibres + PS) pour paroi de séparation légère 

• isolants thermiques : volume de l'air immobile dans 

les bulles avec λ = 0.024 W/mΚ, λ de 0.030 à 0.050 

W/mK 

expansion d’un gaz dans un polymère à l’état fluide ou 

visqueux : addition d’un agent moussant ou gaz produit 

lors d’une réaction (ex. polymérisation de 

polyuréthanne par l’eau produit du CO 2) 

• polystyrène 

• polyuréthannes 

• phénoliques 

• PVC rigide 

Fibres : 

renforcement (polyéthylène, polyamides), Kevelar 

Géotextiles : 

Matelas en matière plastique souvent renforcé par un 

tissu. Les géotextiles sont utilisés pour empêcher la 

pénétration d’eau dans le sol (stockage des déchets) ou 

dans une structure (isolation des toits ou des ponts). Une 

autre application concerne la stabilisation du terrain. 


13. COMPOSITES A MATRICE 

POLYMERIQUE 

Composites sont dotés des propriétés physiques et 

mécaniques que ne possède pas chacun des constituants 

pris séparément. 

- grande rigidité dans une direction 

- très haute résistance 

- rapport résistance/poids élevé 

Principalement deux catégories : 

• matériaux composites à base de fibres 

• matériaux stratifiés 


13.1 Composites à base de fibres 

Constitués d’une matrice continue renforcée par des 

fibres. 

13.1.1 Matrice 

matrices thermodurcies ; résine époxyde, polyester 

insaturé 

matrices thermoplastiques ; résistance thermique si 

semi-cristallin, permettent le thermoformage au départ 

de plaque 

13.1.2 Fibres 

fibres de 

fibres de verre 

fibres de kevlar 

composites fibreux unidirectionnelles propriétés 

mécaniques analogues aux aciers avec une densité de 1 

à 2 contre 7.8 (sollicitation parallèle aux fibres). 

Fibre Densité 

g/cm 3 

verre 

kevlar 

carbone Hm 

carbone 

2.50 

1.45 

1.95 

1.75 

E 

GPa 

86 

130 

400 

250 

Rm 

GPa 

4.4 

2.7 

2.2 

2.7 


Longueur des fibres 

Déformation de la matrice autour d’une fibre soumise à une contrainte de 

traction (Callister) 

Longueur critique 

l c = " f d 

2# c 

σ 

l c : longueur critique de la fibre 

d : diamètre de la fibre 

σ f : résistance à la rupture de la fibre 

τ c :la plus petite grandeur entre la résistance 

de la liaison fibre-matrice ou la limite 

d’élasticité en cisaillement de la matrice 

Répartition du transfert de charge lors de la traction 

l < l c 

l = lc l > lc A. Guidoum Matériaux de construction, 36

Orientation des fibres 


13.2 Stratifiés 

• Plaques et coques stratifiées 

dans une plaque sollicitée en flexion, les couches 

externes sont les plus sollicitées. Minimum trois 

couches (2 peaux, 1 âme). 

peaux : matériau rigide avec résistance à la flexion 

élevée (composite ou non). 

âme : matériau léger, faible rigidité, faible résistance. 

Différence de rigidité, contrainte de cisaillement à 

l’interface, risque de délamination. 

Ex. : panneaux Al-bois de balsa dans aéronautique, 

ski, bois lamellé-collé. 

• structures sandwiches 

rigidité, résistance mécanique élevée et légèreté 

Ex. : toit, plancher, mur, queue d’avion 


13.3 Applications en génie civil 

Dans la construction, éléments de toit translucides, 

dôme de radar, silos et réservoirs (bonne résistance aux 

produits chimiques), conduites. 

Applications récentes (composites avancés) : 

construction et réparation de pont, renforcement 

structural 

Panneaux de composite renforcés de fibres 


ésine renforcée de fibre de verre 


Coquille en fibre de carbone remplie de béton utilisé comme élément structural 

et comme coffrage qui reste en place 

Poutre pour la construction de pont à base de polymère recyclé : PE HD et PS 

14. Degradation 


Les facteurs qui influencent la durabilité des polymères 

: 

• environnement chimique (oxygène de l’atmosphère, 

fumée et pluie acides, humidité) 

• chaleur et chocs thermiques 

• rayonnements ultraviolets 

• radiations de haute énergie 

structures polycarbonées sont instables à température 

élevée. 

la résistance des polymères à la dégradation dépendent 

de la composition et de la suprastructure 

formation des radicaux libres par apport d’énergie et/ou 

de molécules réactives : 

∆ 

C—C C • + C • 

diminution de la masse moléculaire détérioration des 

propriétés mécaniques. Phénomène accéléré par la 

présence d’oxygène. 

Stabilisation 

On peut utiliser des stabilisants (antioxydants, 

stabilisants UV) qui permettent d’inhiber la formation 

des radicaux libres, soit de les détruire et augmenter 

ainsi leur longévité. 


15. REFERENCES 

1. Introduction à la science des matériaux, Traité des 

matériaux 1, W. Kurz, J.P. Mercier, G. Zambelli, 

PPUR, 1991. 

2. Polymeric building materials, D. Feldman, Elsevier, 

1989. 

3. Polymères, C. Oudet, Masson, 1994. 

4. Bâtir, R. Vittone, PPUR, 1996. 

5. Introduction aux matières plastiques pour ingénieurs 

microtechniciens, Cours polycopié H. H. Kausch, J. 

Hilborn, Ph. Béguelin, EPFL, 1997. 

6. Materials science and engineering : an introduction, 

W. D. Callister

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