Température de transition vitreuse des polymères

Lors de la conception de pièces destinées au moulage par injection de plastique, il faut tenir compte d'un élément important, mais souvent négligé, concernant les matières. Il s'agit de la Tg, qui est l'abréviation de température de transition vitreuse. Nous reviendrons plus tard sur les aspects scientifiques de cette question, mais pour l'instant, sachez qu'il existe une température à laquelle les matières amorphes passent de l'état vitreux/rigide à l'état caoutchouteux.

Qu'est-ce que la température de transition vitreuse (Tg) ?

La température de transition vitreuse est la température à laquelle un polymère amorphe passe d'un état dur/vitreux à un état mou/caoutchouteux, ou vice versa. La Tg est directement liée à la résistance et aux capacités d'une matière dans une application finale donnée. La température de transition vitreuse est liée aux propriétés mécaniques d'un polymère. Il s'agit notamment de sa résistance à la traction, de sa résistance à l'impact, de son module d'élasticité et de sa plage de températures opérationnelles, comme le montre la Figure 1.

Polymères amorphes et semi-cristallins

Il existe 2 grandes familles de polymères et de nombreux domaines d'utilisation : les polymères thermodurcissables et les polymères thermoplastiques. Les polymères thermoplastiques sont ensuite divisés en deux catégories : ceux qui sont amorphes, comme le polycarbonate (PC) et le polystyrène (PS), et ceux qui sont semi-cristallins (le polypropylène et l'acétal en sont deux exemples).

Pour bien comprendre tout cela, il faut réviser les cours de chimie du lycée. Ne vous inquiétez pas, ce ne sera pas long. Nous commencerons lors du tout premier cours, quand le professeur demande : que sont les polymères ? Le petit génie du premier rang, qui étudie les langues anciennes pour le plaisir sait que « poly » et « mère » sont des mots grecs qui signifient « plusieurs parties », ce qui donne donc « les polymères sont de longues chaînes de petites molécules reliées entre elles par un processus appelé polymérisation, et dont le poids moléculaire varie de centaines à des centaines de milliers ». Bravo.

Structure d'un polymère 

Longues chaînes moléculaires

Mais qu'est-ce que le poids moléculaire ? Et surtout, qui s'en soucie ? Tout concepteur de pièces en plastique devrait s'en soucier. Le poids moléculaire de tout polymère détermine la longueur des « longues chaînes » que nous venons de mentionner et, par conséquent, ses caractéristiques physiques. Par exemple, alors qu'une molécule d'hydrogène « pèse » seulement 1,01 g/mol (masse molaire) et qu'une molécule de carbone pèse 12,01 g/mol, une seule molécule de polyéthylène haute densité (PEHD), qui n'est rien d'autre qu'une série liée de ces deux molécules, peut peser 250 000 g/mol ou plus.

Qu'il s'agisse de molécules de polyéthylène téréphtalate (PET) de 8 000 à 31 000 g/mol ou de molécules de polystyrène (PS) de 400 000 g/mol, ces chaînes de monomères en forme de mille-pattes, qui sont les éléments constitutifs des polymères, s'organisent en structures amorphes ou semi-cristallines.

Morphologie d'un polymère

Les polymères amorphes ont une structure de chaîne aléatoire/désordonnée. En dessous de la Tg, ils sont durs et cassants. Avec l'application de la chaleur, ils commencent progressivement à se ramollir jusqu'à devenir caoutchouteux. Cette transition est la transition vitreuse. En continuant à appliquer de la chaleur, ils fondent progressivement (ils deviennent moulables), ayant dépassé la Tg pour atteindre une température à laquelle le polymère commence à présenter un écoulement visqueux. Parmi les exemples communs de polymères amorphes figurent des matières durs et rigides comme le polystyrène (PS) et le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), qui sont utilisées à l'état vitreux et bien en dessous de leur température de transition vitreuse.

Les polymères semi-cristallins possèdent des régions cristallines hautement ordonnées et des régions amorphes. Les régions amorphes présenteront le même comportement que celui décrit ci-dessus. Cependant, dans le cas des matières semi-cristallines, une fois que les régions amorphes ont dépassé la Tg, les régions cristallines restent hautement ordonnées et fournissent la structure de la matière en vrac. De ce fait, de nombreuses matières semi-cristallines peuvent être utilisées bien au-delà de leur Tg. Les matières semi-cristallines comme le polypropylène (PP), dont la Tg est d'environ -20 °C, sont utilisés au-dessus de cette dernière pour des applications telles que le mobilier de jardin, qui est résistant et flexible pendant les mois chauds de l'été, mais peut devenir cassants au cœur des hivers froids du Nord.

Les polymères thermodurcissables possèdent des réticulations qui relient leurs chaînes entre elles. Ces réticulations se forment entre les chaînes, les transformant en une seule grosse molécule. Pensez-y la prochaine fois que vous tiendrez dans votre main une boule de bowling. Les réticulations fournissent une structure de chaîne robuste qui permet aux matières élastomères comme le caoutchouc de silicone liquide d'être utilisées bien au-delà de leur Tg. D'autres matières thermodurcissables sont généralement utilisées en dessous de leur Tg et sont assez rigides, comme les phénoliques. Les réticulations forment des liaisons si solides entre les chaînes moléculaires que le point de fusion des matières thermodurcissables est supérieur à leur température de décomposition.

Avantages et inconvénients des polymères

Les polymères amorphes sont souvent transparents (par exemple, le polycarbonate et l'acrylique) plutôt qu'opaques comme la plupart des matières semi-cristallines. Ils présentent généralement une meilleure stabilité dimensionnelle et sont moins susceptibles de se déformer pendant le processus de moulage par injection. Ils sont généralement résistants à l'eau chaude et à la vapeur (comme le matériel de plomberie) et présentent une bonne rigidité et une bonne résistance aux chocs. Et comme nous l'avons indiqué précédemment, ils ont tendance à se ramollir progressivement lorsqu'ils sont exposés à la chaleur.

Les polymères thermoplastiques semi-cristallins, en raison de leur structure interne, possèdent des liaisons moléculaires très solides. Cette caractéristique les rend résistants aux agressions chimiques. Comme le Téflon, beaucoup d'entre eux offrent également un faible coefficient de frottement, ce qui en fait un excellent choix pour les surfaces de roulement et d'usure ou lorsque de lourdes charges structurelles sont en jeu. Ils sont également beaucoup plus résistants à la fatigue que les polymères amorphes. Ils se ramollissent lorsqu'ils sont exposés à la chaleur, mais peuvent être utilisés au-dessus de leur Tg, car les régions cristallines conservent leur structure jusqu'à la température de fusion du polymère.

Les matières plastiques thermodurcissables, avec leur structure interne réticulée, présentent une résistance aux produits chimiques, une stabilité dimensionnelle et une résistance à la chaleur excellentes. Les plastiques thermodurcissables vont du transparent à l'opaque et de l'élastomère au rigide. Ils peuvent être utilisés en dessous ou au-dessus de leur Tg, et n'ont pas de point de fusion.

C'est un sujet complexe, c'est certain. Nous espérons que cette explication assez technique vous a permis d'y voir un peu plus clair sur ce sujet. Vous avez un projet de moulage par injection ? Contactez-nous au +33 (0)4 56 64 80 50 ou par écrivez-nous à [email protected]. Nous sommes toujours ravis de parler de polymères.