Une équipe de chercheurs de l'Institut des matériaux polymères synthétiques de l'Académie des sciences de Russie, MIPT et ailleurs a déterminé comment la régularité des molécules de polypropylène et le traitement thermique affectent les propriétés mécaniques du produit final. Leurs nouvelles connaissances permettent de synthétiser un matériau avec des propriétés prédéterminées telles que l'élasticité ou la dureté. L'article détaillant l'étude a été publié dans Polymère .

En termes de volume de production, polypropylène, il est juste derrière le polyéthylène. En peaufinant sa structure moléculaire, le polypropylène peut être utilisé pour fabriquer des matériaux avec un large éventail de caractéristiques, des bandes élastiques au plastique résistant aux chocs. Cependant, la relation entre la structure chimique du polymère et ses propriétés mécaniques n'est pas entièrement comprise.

Ce qui rend les propriétés des matériaux polymères si variables, c'est leur composition. Une molécule de polymère est une longue chaîne d'unités répétitives de longueur inégale. Si ces molécules s'entassent plus ou moins au hasard dans un matériau, on dit qu'il est amorphe. De tels polymères sont mous. Dans d'autres matériaux, les chaînes polymères forment des interconnexions appelées réticulations. Cela donne lieu à des régions de structure atomique très régulière (fig. 1), semblable à celui des cristaux, d'où le nom de cristallites. Ils maintiennent l'ensemble du réseau moléculaire ensemble, et plus il y a de cristallites dans un matériau, plus c'est dur. Pour former des liaisons croisées, les chaînes moléculaires doivent posséder une certaine régularité structurelle appelée isotacticité.

Une chaîne de polypropylène se compose d'un squelette d'atomes de carbone avec des atomes d'hydrogène attachés. Chaque autre atome de carbone de la chaîne a un groupe méthyle qui lui est attaché. Deux atomes de carbone adjacents dans la chaîne avec les atomes d'hydrogène et le groupe méthyle qui leur est lié constituent une unité répétitive appelée propylène, ou propène. La configuration spatiale de la macromolécule - la chaîne polymère - est déterminée par l'orientation mutuelle des groupes méthyle dans la chaîne (fig. 2) :S'ils sont tous d'un côté, la molécule est dite isotactique. S'ils alternent entre face et face, l'arrangement est connu comme syndiotactique. L'absence de tout modèle cohérent est appelée atacticité. Les segments de chaîne isotactiques sont très efficaces pour former des réticulations. Par conséquent, un degré plus élevé d'isotacticité du polypropylène donne un matériau plus résistant. Les chimistes peuvent synthétiser du polypropylène avec une isotacticité prédéterminée. Les auteurs se sont attachés à établir la relation précise entre les propriétés mécaniques du matériau et l'isotacticité.

Qu'est-ce qui fait sa force

Le degré d'isotacticité d'un polymère est exprimé en termes de teneur en pentades qu'il contient. Une pentade est un segment de molécule parfaitement isotactique de cinq unités répétitives de long. Les chercheurs ont examiné des polypropylènes caractérisés par divers degrés d'isotacticité :en particulier, 25, 29, 50, 72, 78, 82, et plus de 95 pour cent. Des échantillons de chaque type de polypropylène ont été obtenus sous forme de films, 0,5-0,7 millimètres d'épaisseur, utilisant deux techniques distinctes :à savoir, trempe du matériau fondu dans de l'eau glacée et refroidissement à une vitesse de 3 degrés par minute. Les films ont ensuite été soumis à un étirage à 10 millimètres par minute sur une machine d'essai.

En utilisant les résultats d'essais mécaniques, les auteurs ont tracé une courbe contrainte-déformation pour chacun des échantillons. Ils ont découvert que le comportement des échantillons sous contrainte était lié à leur isotacticité et à leur préhistoire thermique, c'est-à-dire qu'ils aient été refroidis lentement ou rapidement. Les chercheurs ont décrit cette relation comme une dépendance du module d'élasticité sur le degré de cristallinité (fig. 4). Des modules d'élasticité plus élevés correspondent à des matériaux plus durs. Le degré de cristallinité est le pourcentage des cristallites - par opposition aux régions amorphes - dans le volume du matériau. L'équipe a également montré que les cristallites dans les échantillons trempés et lentement refroidis différaient par leur forme.

"Beaucoup de gens essaient d'améliorer les propriétés du polypropylène, puisque le retour sur les efforts investis est grand. Il est produit par des millions de tonnes, et il suffit de modifier légèrement la structure de la chaîne ou les conditions de préparation pour obtenir un matériau aux propriétés souhaitées, " dit l'auteur Maxim Shcherbina, qui enseigne au MIPT et est un chercheur de premier plan au Laboratoire des structures polymères fonctionnelles de l'Institut des matériaux polymères synthétiques, RAS. « Lors de la synthèse, vous déterminez la structure de la molécule. Mais quand tu fais ça, vous déterminez également les propriétés du réseau et donc les propriétés du matériau. C'est la principale conclusion que nous tirons de cet article. À l'heure actuelle, nous faisons des choses similaires avec le polyéthylène, un autre polymère très populaire."