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Fusion et cristallisation
Le changement d’état physique d’un solide en liquide est connu sous le nom de fusion. La chaleur fournie dissout le réseau cristallin, la température du matériau restant constante pendant toute la durée du processus de fusion. Il existe donc une température de fusion définie.
L’inversion de cette phase de premier ordre, la transition de l’état amorphe-liquide de la matière fondue à l’état cristallin, est appelée cristallisation. Il s’agit d’un processus cinétiquement contrôlé qui dépend principalement de la nucléation. Par conséquent, la température de cristallisation est toujours inférieure à la température de fusion contrôlée par la thermodynamique.
Transition vers le verre
Les matériaux non cristallins tels que les polymères, en revanche, présentent une transition vitreuse.
C’est là que les polymères totalement ou partiellement amorphes passent d’un état très visqueux ou élastique, flexible, à un état vitreux ou élastique, cassant.
Pour caractériser la transition vitreuse, la température de transition vitreuse Tg exprime le point auquel la moitié de la variation de la capacité thermique spécifique est atteinte.
Elle est également appelée température de transition vitreuse ou température de ramollissement.
La transition thermique vitreuse est observée lorsqu’un produit fondu qui ne peut pas cristalliser est refroidi à l’excès.
Les mouvements moléculaires dits coopératifs, tels que les réarrangements des segments de la chaîne principale, les rotations des chaînes latérales et les rotations des groupes terminaux, se « figent » alors.
Il en résulte des changements soudains dans les propriétés mécaniques et thermodynamiques telles que le module d’élasticité la capacité thermique spécifique et le coefficient de dilatation thermique.
La vitesse de refroidissement a une influence décisive sur la température de transition vitreuse. Si la matière fondue est refroidie rapidement, la température de transition vitreuse est plus élevée.
En cas de refroidissement infiniment lent, il n’y a pas de transition vitreuse, puisqu’il n’y a pas de zones partielles amorphes.
De nombreuses matières plastiques courantes sont partiellement cristallines : elles ont donc une température de transition vitreuse en dessous de laquelle la phase amorphe gèle.
Parallèlement, ils présentent également une température de fusion à laquelle la zone cristalline se dissout.
Les polymères peuvent être classés en fonction de leur transition vitreuse
Comme chaque plastique a une transition vitreuse spécifique, il s’agit d’un paramètre important pour caractériser le matériau. C’est pourquoi la détermination de la température de transition vitreuse est souvent utilisée en analyse thermique, afin de déterminer la stabilité dimensionnelle d’un polymère sous l’action de la chaleur.
Par exemple, les élastomères ne sont utilisés que dans le domaine élastique, c’est-à-dire au-dessus de la température de transition vitreuse. En revanche, les thermoplastiques amorphes ne sont utilisés qu’en dessous de la température de transition vitreuse.
Comme la transition vitreuse dépend du type de plastique et de sa fabrication, la détermination de la Tg permet d’obtenir des informations sur l’évolution du matériau.
Il existe notamment les relations suivantes :
- Structure chimique : plus la chaîne principale est flexible, plus le Tg est faible.
- Masse molaire : la Tg augmente avec la masse molaire.
- Orientation moléculaire, par exemple augmentation du Tg dans les feuilles.
- Réticulation, la Tg augmente avec le degré de réticulation.
- Plastifiants : la Tg diminue lorsque la teneur en plastifiants augmente.
Pour en savoir plus sur la détermination de la température de transition vitreuse.
