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Les propriétés des solides dépendent fortement de l’arrangement des particules (atomes et molécules) qui composent le matériau.
Si la disposition est désordonnée, les substances sont amorphes.
Dans les substances cristallines, les particules sont ordonnés selon un schéma fixe.
Alors que les polymères réticulés (duromères, élastomères thermodurcissables) ont toujours une structure amorphe, des cristaux peuvent se former dans les polymères thermoplastiques.
Dans la plupart des cas, des zones cristallines et des zones amorphes sont présentes une à côté de l’autre.
Il s’agit alors de polymères semi-cristallins.
L’ampleur de la cristallisation dépend des conditions de solidification notemment de la température de la solidification et la vitesse de refroidissement.
Propriétés des matériaux en fonction du degré de cristallisation
Avec le degré de cristallisation d’un polymère donné sa densité, sa température de verre, sa température de fusion et sa résistance mécanique augmentent.
Par conséquent, la stabilité dimensionnelle et la résistance à l’abrasion mécanique sont également améliorées.
Parallèlement, le coefficient d’expansion thermique et la capacité de pénétration des liquides et des gaz diminuent.
Ces propriétés élargissent le champ d’application des polymères semi-cristallins.
Lors de la cristallisation de la chaleur est dégagée.
Cette enthalpie de cristallisation peut être déterminée par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et comparée à des valeurs connues.
L’enthalpie de cristallisation mesurée et d’autres données obtenues lors de l’analyse thermique permettent d’optimiser la production et d’assurer le contrôle de la qualité des polymères.
Cristallisation
Le passage de l’état liquide à l’état solide dans les polymères peut se faire de deux manières : Soit un polymère fondu se solidifie, soit il précipite à partir d’une solution sursaturée.
Au cours de ce processus, les macromolécules perdent une grande partie de leur énergie cinétique, qui est libérée dans l’environnement sous forme de chaleur.
Dans une plage de température limitée, les chaînes de molécules en forme de boule peuvent « s’étirer ».
Ce faisant, elles s’organisent en structures parallèles, composées d’une macromolécule pliée – un peu comme une lance à incendie ou un câble posé en travées.
Dans certains polymères, des chaînes de molécules différentes s’alignent également parallèlement les unes aux autres.
La formation de telles structures est appelée cristallisation.
La formation de la structure cristalline nécessite un point de départ, appelé noyau de cristallisation.
Ce noyau peut être constitué des plus petites quantités de polymères déjà cristallisés ou de molécules étrangères telles que le quartz.
Le cristal croît autour de ce noyau jusqu’à ce qu’il rencontre d’autres cristaux ou des zones solidifiés mais amorphes.
En ajoutant des noyaux de cristallisation à la matière fondue ou à la solution, il est possible d’influencer le nombre et donc la taille des cristaux.
Les substances qui conviennent comme noyaux dépendent du système polymère individuel et doivent être déterminées expérimentalement.
Le temps nécessaire à la croissance des cristaux et la plage de température optimale sont également déterminés par des expériences.
Les méthodes d’analyse thermique conviennent à cet effet.
Recristallisation
La recristallisation est la nouvelle formation ainsi que la transformation des cristaux.
Ce processus se produit automatiquement lorsque la température des matériaux cristallins ou semi-cristallins atteint une certaine valeur ou lorsque les polymères sont déformés par des forces mécaniques externes.
Il est également lié à l’augmentation ou à la diminution de la mobilité des particules.
La recristallisation peut être utilisée de manière ciblée pour obtenir des propriétés souhaitées du matériau.
Différents procédés sont disponibles à cet effet.
Post-cristallisation par étirement
Ce procédé est utilisé pour la production de fibres synthétiques, de films et de corps creux.
Les fibres et films synthétiques sont produits par extrusion des polymères chauffés.
Au cours de ce processus, le matériau est pressé sous haute pression à travers des buses ou des ouvertures similaires et prend sa forme.
Des forces de traction sont ensuite appliquées, ce qui entraîne l’étirement des chaînes moléculaires et leur arrangement parallèle.
Les corps creux (bidons, bouteilles) peuvent être fabriqués à partir d’ébauches qui sont expansées par une surpression à l’intérieur.
Les contraintes de traction ainsi créées dans le matériau induisen la formation de cristaux.
Recristallisation à partir de la solution
Dans une solution, les macromolécules d’un polymère sont uniformément réparties.
Si la sursaturation est induite, c’est-à-dire si la concentration des macromolécules dans la solution est portée à un niveau supérieur à la solubilité maximale à la température respective de la solution, les macromolécules se déposent à l’état solide.
Ce faisant, elles se réarrangent et peuvent former des structures cristallines.
La condition préalable à la cristallisation est de maintenir la température optimale et le temps nécessaire à la croissance des cristaux.
La recristallisation peut être induite et contrôlée par l’ajout de noyaux de condensation (« inoculation » de la solution).
