Élastomère
plastique élastiquement déformables sont utilisés dans de nombreuses façons De Wikipédia, l'encyclopédie libre
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Un élastomère est un polymère présentant des propriétés « élastiques », obtenues après réticulation. Il supporte de très grandes déformations avant rupture. Le terme de caoutchouc est un synonyme usuel d'élastomère.
Les matériaux élastomères tels que les pneumatiques sont souvent à base de caoutchouc naturel (sigle NR) et de caoutchouc synthétique (coupage).
Le caoutchouc naturel est resté longtemps le seul élastomère connu.
En 1860, le chimiste anglais Charles Hanson Greville Williams montre que ce matériau est un polyisoprénoïde.
Le premier brevet sur la fabrication du caoutchouc synthétique est déposé le par le chimiste allemand Fritz Hofmann.
En toute rigueur, les élastomères ne font pas partie des matières plastiques.
La plupart des élastomères sont des polymères organiques. Ils sont d'excellents combustibles. Les élastomères silicone se distinguent par leur nature minérale.
Un élastomère est une matière amorphe et présentant une température de transition vitreuse (Tv) faible (souvent inférieure à −40 °C)[1].
L'élastomère subit seulement une déformation élastique, tandis que le plastomère, sous l'action d'une contrainte, peut subir une déformation élastique accompagnée d'une déformation plastique (permanente). Les plastomères sont une classe de polymères linéaires dérivés de l'éthylène, développée au début des années 1990.
Pour comprendre leurs remarquables propriétés élastiques, il est important de noter que les élastomères sont obtenus à partir de polymères linéaires qui, à température ambiante (bien supérieure à leur Tv, cf. ci-dessus), sont des liquides (très visqueux)[2] ; les forces de cohésion entre les chaînes polymères sont très faibles, du même ordre de grandeur que celles existant dans les liquides moléculaires volatils et les gaz[3].
Les chaînes macromoléculaires sont normalement repliées ; cet état est la conséquence de la grande liberté de rotation des « maillons » de la chaîne (chaînons) les uns par rapport aux autres et des mouvements d'agitation thermique désordonnés (mouvements browniens[4]) qui les affectent en permanence ; une chaîne peut ainsi prendre différentes conformations qui se succèdent d'une façon aléatoire ; l'état replié d'une chaîne ne peut être décrit que d'une manière statistique[5].
Pour limiter le glissement des chaînes du polymère liquide les unes par rapport aux autres, une légère réticulation crée des nœuds d'ancrage tout en conférant au matériau une structure tridimensionnelle. De la même manière que précédemment, les segments de chaînes entre deux nœuds sont normalement repliés (schéma A ci-contre). Si une traction est exercée sur la structure, les segments se déploient et la distance entre deux nœuds croît considérablement (schéma B) ; le matériau est très déformable.
Lorsque la contrainte en traction est supprimée, le matériau ne reste pas dans son état étiré, mais, sous l'action quasi-exclusive des mouvements browniens des chaînons[6], les segments de chaînes retournent à leur état replié de départ (qui représente statistiquement leur état le plus probable[7]) (schéma A). Cette réversibilité de la déformation caractérise une déformation élastique.
Élasticité entropique - La contrainte tend à ordonner les segments de chaînes du matériau, cette modification s'accompagne d'une diminution de l'entropie du système ; la suppression de la contrainte ramène le matériau à son état de désordre initial (état le plus probable correspondant à l'entropie la plus élevée du système). Les élastomères, pour lesquels l'état d'équilibre correspond à leur entropie maximale, sont des solides à élasticité entropique ; leur capacité de déformation élastique est importante. Ils se différencient en cela des solides à élasticité enthalpique (métaux, céramiques cristallines, verres minéraux ou organiques, polymères thermodurcis très réticulés, etc.) pour lesquels l'état d'équilibre correspond à leur enthalpie minimale ; leur capacité de déformation élastique est très limitée[8].
Les élastomères sont généralement thermodurcissables, constitués de longues chaînes polymères faiblement réticulées. Ils sont fabriqués en réalisant des pontages (courts ou longs) entre les chaînes moléculaires, en utilisant un système de réticulation souvent complexe, sous l'action de la température et éventuellement de la pression.
À la différence d'un polymère thermoplastique, les profilés en élastomère (faiblement réticulé) ne fluent pas après extrusion[9].
Concernant la transformation des élastomères, l'extrusion représente 10 % en volume, contre 90 % pour le moulage[10].
Certains élastomères sont thermoplastiques [« élastomères thermoplastiques » (TPE), tels le copolymère séquencé styrène-butadiène (SBS)], leur mise en œuvre utilise les techniques habituellement réservées aux polymères thermoplastiques.
La plupart ont un caractère amorphe ; les élastomères NR, CR et FKM (fluoroélastomère) se distinguent par leur caractère polycristallin.
Ils sont le plus souvent utilisés à une température supérieure à leur température de transition vitreuse, sur le plateau caoutchouteux.
Leur densité varie de 0,86 (EPDM) à 1,8 [FVMQ (élastomère fluorosilicone), FKM].
L'échelle de mesure Shore A mesure leur dureté (de 30 à 95). Il existe un autre instrument pour mesurer la dureté, le duromètre DIDC (dureté internationale du caoutchouc, préférée au Shore A[réf. nécessaire]).
Les élastomères bruts ne sont pas des matériaux prêts à l'emploi, ils doivent être formulés afin notamment de répondre aux exigences d'une application définie. Ils contiennent environ 20 à 40 % de polymères, le reste est composé de charges[11], de plastifiant(s), d'un agent vulcanisant, tel le soufre ou un peroxyde organique, pour former les ponts[12], d'accélérateur(s) de vulcanisation[13], d'additifs divers (par exemple pour faciliter la mise en œuvre, pour la protection contre le dioxygène, l'ozone, la chaleur, la flamme, les UV) et souvent de noir de carbone ; ce nanoconstituant est multifonction : utilisé notamment comme pigment, charge de renforcement des propriétés mécaniques des élastomères, stabilisant et conducteur électrique.
Les élastomères saturés ne sont pas vulcanisables au soufre. Pratiquement tous les élastomères peuvent être vulcanisés au peroxyde organique.
Ce qui rend les élastomères spéciaux, c'est leur capacité de collisions élastiques, tels le rebondissement et l'étirement élastiques, qui leur permet de reprendre leur forme initiale après l'arrêt de la sollicitation. Cette caractéristique spéciale est acquise par la présence d'enchevêtrements et de nœuds de réseau (ces liaisons sont respectivement occasionnelles et définitives ; les ponts jouent le rôle de « ressorts »).
Un élastomère supporte de très grandes déformations (jusqu'à environ 1 000 %) avant rupture, presque totalement réversibles. Au contraire, un polymère rigide qui serait déformé de 100 % garderait une déformation importante : il est qualifié d'« élasto-plastique ».
Cette distinction entre les élastomères et les autres polymères correspond au comportement que l'on observe à température ambiante. En effet, le comportement des polymères dépend de la température, de la vitesse de sollicitation et de la déformation.
Parmi les autres applications, on relève les gants médicaux (traditionnellement fabriqués en latex), les courroies, les durits, les bandes transporteuses, les tuyaux d'arrosage.
Un élastomère est constitué de longues chaînes moléculaires rassemblées, au repos, en « pelotes ». Ces chaînes sont typiquement reliées entre elles par des enchevêtrements, des nœuds de réticulation ou des liaisons polaires avec des charges minérales ; elles forment un réseau.
Les propriétés mécaniques des élastomères dépendent en premier lieu de la densité pontale (nombre de ponts par unité de volume) et du type de pont (nature et longueur[14]). Plus la densité pontale est élevée (réseau dense) plus l'élastomère est raide. Le système de réticulation (type et taux) fait aussi partie des paramètres importants. L'ébonite, matériau dur et cassant découvert par Charles Goodyear, constitue un cas extrême de caoutchouc vulcanisé.
Les élastomères d'usage général, insaturés[15] et apolaires (bonne résistivité), comprennent :
Leur température limite d'utilisation continue est inférieure à 80 °C. Ils montrent une faible résistance à l'huile et à l'ozone (ce gaz n'attaque que sous contrainte mécanique, et en surface).
La proportion en masse de NR plus SBR dans un pneumatique est d'environ 80 %.
Les NR, SBR, BR et IR représentent respectivement 40, 37, 10 et 3 % de la production totale d'élastomère.
La consommation mondiale de caoutchouc en 2010 était évaluée à 24,3 millions de tonnes[17].
Le latex de caoutchouc naturel contient des protéines et des vitamines en faible proportion.
Parmi les différents grades de caoutchouc naturel disponibles, ceux de qualité supérieure, de couleur claire (faibles teneurs en impuretés), offrent les meilleures tenues aux vieillissements en température. Ils sont réservés aux petites pièces techniques car ce sont les plus chers (7 €/kg en 2007).
Les élastomères NR et IR possèdent des propriétés d'amortissement et une grande extensibilité (allongement à la rupture (A/R) maximal de 750 %). La résistance à la rupture (R/R) maximale est de 30 MPa. Leur « collant » et leur résistance au déchirement (R/d) sont excellents.
Ils peuvent être utilisés en continu de −50 à +65 °C. Ces élastomères sont ceux qui vieillissent le moins bien ; chauffés au-dessus de 65 °C, ils commencent à vieillir et deviennent poisseux.
Leur température limite d'utilisation continue est inférieure à 150 °C.
Ils montrent une tenue à la chaleur élevée et/ou une ou plusieurs propriétés spécifiques.
Pour ce qui concerne leur structure, la plupart ne possèdent pas de double liaison carbone-carbone (donc absence d'atome d'hydrogène labile en position allylique) et ne peuvent donc être vulcanisés au soufre.
Ils représentent un faible volume (5 % des élastomères) et ce sont les plus chers (prix > 3 €/kg).
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