ÉLASTOMÈRES ou CAOUTCHOUCS
Caractéristiques fondamentales des élastomères
Bien que faisant partie d'une seule et même grande famille, celle des polymères, les élastomères ont un comportement très particulier et très différent des matières plastiques, ou plastomères.
Pour qu'un matériau soit mécaniquement reconnu comme un caoutchouc, il doit être :
– souple, c'est-à-dire de faible rigidité (quelques mégapascals) ;
– hautement déformable, c'est-à-dire capable de supporter de très grandes déformations sans se rompre ou d'atteindre des allongements « rupture » de plus de 100 p. 100, tout en possédant, à son allongement maximal, une résistance à la rupture relativement élevée ;
– élastique ou résilient, c'est-à-dire capable de retrouver sa géométrie initiale, après cessation d'une sollicitation, tout en restituant quantitativement au milieu l'énergie qui lui a été fournie pour le déformer.
Aspect moléculaire
Pour répondre à ces caractéristiques mécaniques, un élastomère est constitué de longues chaînes moléculaires, appelées macromolécules, qui sont repliées sur elles-mêmes au repos : c'est la pelote statistique. Les interactions entre chaînes sont faibles (faible cohésion) et sous l'action d'une contrainte externe, les chaînes possèdent de très nombreuses possibilités conformationnelles (par rotation autour des liaisons carbone-carbone) dans le domaine des températures d'utilisation. Ces chaînes macromoléculaires repliées sur elles-mêmes s'enchevêtrent avec leurs voisines et conduisent à un matériau élastique sous l'effet d'une faible contrainte. Lorsque l'on applique une plus forte contrainte, les chaînes vont se déployer, glisser et finir par se désolidariser les unes des autres. C'est pourquoi la réalisation de liaisons chimiques entre les chaînes, pour former un réseau tridimensionnel stable, a été la découverte primordiale pour l'utilisation des élastomères.
Cette formation de liaisons chimiques (généralement covalentes), appelées encore ponts de réticulation, est le résultat de la vulcanisation des caoutchoucs obtenue notamment avec du soufre (le terme fait allusion à Vulcain, dieu romain du feu et des volcans). Cette réaction impose la présence de sites actifs sur les chaînes macromoléculaires (doubles liaisons, hydrogène ou halogène labile, etc.).
La pelote statistique permet d'expliquer l'aspect thermodynamique de l'élasticité caoutchoutique. Trois phénomènes peuvent être constatés :
– une bande de caoutchouc soumise à une déformation en traction s'allonge de plusieurs fois sa longueur au repos ; il y a déploiement des chaînes macromoléculaires qui, si on relâche la tension, reviennent à leur état initial pelotonnées ;
– quand on étire une bande de caoutchouc, on passe par un état plus ordonné de la matière, moins stable thermodynamiquement, et la bande s'échauffe ;
– en chauffant une bande de caoutchouc sous tension, elle se rétracte, on a alors augmentation de l'entropie (retour à l'état désordonné de la matière dû aux mouvements microbrowniens des segments moléculaires).
Température de transition vitreuse
La température de transition vitreuse (Tv) d'un polymère dépend de nombreux facteurs (doubles liaisons, polarité des chaînes, microstructure, etc.) [cf. polymères]. C'est elle qui définit le comportement d'un élastomère par rapport à un plastomère (non cristallin).
En règle générale :
– si Tv est supérieure à la température ambiante, on a affaire à un plastomère ;
– si Tv est inférieure à la température ambiante, on a affaire à un élastomère.
Variation du module du caoutchouc naturel et du polystyrène
Encyclopædia Universalis France
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Écrit par
- Christian HUETZ DE LEMPS : professeur, directeur de l'UFR de géographie, université de Paris-IV-Sorbonne
- Françoise KATZANEVAS : directrice des études de l'École supérieure des industries du caoutchouc
Classification
Médias
John Boyd Dunlop
Hulton Archive/ Getty Images
Variation du module du caoutchouc naturel et du polystyrène
Encyclopædia Universalis France
Influence de la température sur les propriétés de rupture
Encyclopædia Universalis France
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