Qu’est-ce qu’un polymère ?

Définition, propriétés et utilisations des polymères

Les polymères sont partout : dans les emballages, les vêtements, les équipements électriques, les véhicules, mais aussi dans les joints d’étanchéité, les pièces mécaniques et de nombreux équipements industriels. Si certains sont fabriqués par l’Homme, d’autres existent naturellement dans les organismes vivants.

Concrètement, un polymère est une macromolécule constituée par l’enchaînement d’un grand nombre d’unités moléculaires, appelées monomères. Ces unités se répètent et s’associent pour former de longues chaînes dont la composition et l’organisation déterminent en grande partie les propriétés du matériau obtenu.

Il ne faut toutefois pas réduire les polymères aux seuls plastiques. Dans notre article “qu’est-ce que l’élastomère”, par exemple, nous mettions en évidence que les caoutchoucs sont eux aussi des matériaux polymères. Il existe en effet de nombreux polymères naturels : cellulose, protéines, ADN ou encore notre fameux caoutchouc naturel. 

Une famille de matériaux particulièrement vaste, donc, dont nous vous détaillons dans cet article les propriétés et usages. 

Comment un polymère est-il formé ?

Pour comprendre la structure d’un polymère, imaginons un collier composé d’un très grand nombre de perles reliées entre elles. À l’échelle moléculaire, ces perles sont des unités issues de molécules appelées monomères et le collier correspond à la chaîne polymère.

Cette image permet de comprendre le principe général, mais la réalité est évidemment plus complexe. Les unités constitutives d’un polymère peuvent être identiques ou différentes et s’organiser de multiples façons. Ainsi, ce sont leur nature, leur nombre et leur agencement qui influencent les propriétés du matériau final.

Le rôle des monomères

Les monomères constituent les molécules de départ permettant de fabriquer les polymères. Lors de la réaction de polymérisation, ils réagissent pour former des molécules beaucoup plus grandes.

Prenons l’exemple du polyéthylène (PE), l’un des polymères synthétiques les plus courants, obtenu à partir de l’éthylène. La polymérisation permet de former une longue chaîne carbonée comportant un très grand nombre de motifs issus de cette molécule initiale. Le préfixe “poly” que l’on retrouve dans polyéthylène, polypropylène, polyamide ou polyuréthane prend alors tout son sens.

Tous les polymères ne sont cependant pas constitués d’un seul type d’unité. Lorsque plusieurs types de monomères interviennent dans leur synthèse, on peut notamment obtenir des copolymères dont la composition permet d'ajuster les caractéristiques recherchées.

Les principaux mécanismes de polymérisation

Plusieurs réactions chimiques permettent de fabriquer des polymères. Sans entrer dans les mécanismes réactionnels en détail, on distingue notamment la polymérisation en chaîne, dans laquelle des monomères s’ajoutent successivement à un centre actif, et la polymérisation par étapes, où des molécules comportant des fonctions réactives réagissent progressivement entre elles.

Le procédé employé dépend des molécules utilisées et du polymère que l’on souhaite obtenir. Derrière le terme générique de polymère se cache donc une très grande diversité de structures chimiques.

Comment est structurée une chaîne polymère ?

Toutes les macromolécules ne ressemblent pas à une succession parfaitement droite de motifs identiques. L’architecture des chaînes peut considérablement varier : 

• les polymères linéaires, constitués principalement de longues chaînes non réticulées,
• les polymères ramifiés, dont la chaîne principale comporte des ramifications,
• les polymères réticulés, au sein desquels des liaisons relient différentes chaînes pour former un réseau tridimensionnel.
  
  

Pourquoi est-ce important ? Parce que la structure moléculaire participe directement aux propriétés macroscopiques du matériau. La mobilité des chaînes, leur organisation, leur masse molaire, leur degré de cristallinité ou encore leur niveau de réticulation sont autant d’éléments qui ont une influence sur la rigidité, l’élasticité, la résistance mécanique et le comportement du matériau lorsqu’il est soumis à une élévation de température.

Grâce à cette diversité structurelle, il est possible d’obtenir des matériaux aussi différents qu’une plaque rigide de plastique technique (comme les plaques de PVC compact) et un joint en élastomère capable de se déformer avant de retrouver sa forme initiale.

Quelles sont les différentes familles de polymères ?

Les polymères peuvent être classés selon leur origine, leur structure, leur comportement thermique ou encore leurs propriétés. Une première distinction consiste à séparer les polymères naturels des polymères synthétiques.

Les polymères naturels

La nature n’a pas attendu l’industrie chimique pour fabriquer des polymères ! Certains jouent même un rôle fondamental dans le vivant. La cellulose, principal constituant des parois des cellules végétales, est par exemple un polymère naturel. L’ADN, l’amidon et les protéines appartiennent également à cette vaste famille de macromolécules.

Autre exemple particulièrement intéressant dans le domaine industriel : le caoutchouc naturel, obtenu à partir du latex produit notamment par l’hévéa. Après transformation et en particulier vulcanisation, il acquiert des propriétés mécaniques qui permettent de l’utiliser pour fabriquer de nombreuses pièces techniques.

Les polymères synthétiques

Les polymères synthétiques sont produits par synthèse chimique. C’est au cours du XXe siècle qu’ils ont connu un essor considérable. Désormais, ils sont utilisés dans pratiquement tous les secteurs industriels.

En plus du polyéthylène (PE) mentionné plus haut, les polymères synthétiques les plus connus intègrent :

• le polypropylène (PP),
• le polychlorure de vinyle (PVC),
• le polystyrène (PS),
• les polyamides (PA),
• le polyoxyméthylène (POM),
• le polyméthacrylate de méthyle (PMMA coulé ou extrudé par exemple),
• le polytétrafluoroéthylène (PTFE).

Bien qu’issus de la même famille, ces matériaux ont chacun leurs propres caractéristiques : certains privilégient la résistance mécanique, d’autres la stabilité dimensionnelle, les propriétés de glissement, la transparence ou encore la résistance aux agents chimiques.

Thermoplastiques, thermodurcissables et élastomères

Pour les applications techniques, la classification par comportement thermique est particulièrement utile. Elle distingue trois grandes familles : 

• les thermoplastiques : ils peuvent être ramollis par chauffage puis durcir de nouveau en refroidissant, dans certaines limites et sous réserve de ne pas les dégrader. Cette caractéristique facilite leur transformation par différents procédés. Le PE, le PP, le PVC, le PA ou encore le POM appartiennent notamment à cette famille.
  
  
• les thermodurcissables : ils adoptent quant à eux une structure tridimensionnelle réticulée lors de leur mise en œuvre. Une fois cette transformation réalisée, un nouveau chauffage ne permet pas de les faire fondre pour les remettre en forme comme un thermoplastique. Les résines époxy en constituent un exemple courant.
  
  
• les élastomères : ils se distinguent par leur capacité à subir d’importantes déformations réversibles. Leur structure faiblement réticulée permet aux chaînes de se déplacer sous l’effet d’une contrainte avant de revenir, dans une certaine mesure, vers leur configuration initiale. C’est cette propriété qui rend les caoutchoucs particulièrement adaptés à la fabrication de joints, de systèmes d’amortissement et de nombreuses pièces souples.

Focus sur les propriétés des polymères

Parler “des propriétés du polymère” au singulier serait trompeur : il existe une telle diversité de matériaux polymères que leurs performances peuvent être radicalement différentes.

Selon leur nature et leur formulation, ils peuvent notamment présenter :

• une masse volumique relativement faible, particulièrement intéressante lorsqu’un allègement des pièces est recherché,
• une bonne résistance à certains produits chimiques et à la corrosion, qui dépend toutefois fortement du polymère et de l’agent auquel il est exposé,
• de bonnes propriétés d’isolation électrique, pour certaines matières,
• un faible coefficient de frottement, recherché pour certaines applications mécaniques,
• une bonne résistance à l’usure ou à l’abrasion,
• une forte rigidité ou, à l’inverse, une grande élasticité,
• des possibilités de transformation variées, permettant la réalisation de plaques, tubes, joncs, profilés, films ou pièces usinées.

Les performances ne dépendent d'ailleurs pas uniquement du polymère de base. Des charges, fibres, plastifiants, stabilisants, pigments et autres additifs peuvent être intégrés à la formulation afin de modifier certaines caractéristiques du matériau.

La température joue également un rôle déterminant. Pour de nombreux polymères, on s'intéresse notamment à la température de transition vitreuse (Tg), associée à une évolution importante de la mobilité moléculaire et donc du comportement mécanique. Pour les polymères semi-cristallins, la température de fusion de la phase cristalline constitue une autre donnée importante.

Ces notions expliquent pourquoi le choix d’un matériau industriel ne peut jamais se limiter à la seule appellation “plastique” ou “caoutchouc”.

Où trouve-t-on les polymères ?

Les polymères sont tellement présents dans ce qui nous entoure qu’il vaudrait presque mieux se demander “où ne trouve-t-on pas de polymères ?”. On les retrouve ainsi dans les emballages, textiles, peintures, adhésifs, équipements électriques et électroniques, véhicules, ou encore dans le bâtiment, le secteur médical et les équipements sportifs.

Mais leurs applications vont bien au-delà des objets du quotidien. Dans l’industrie, les polymères techniques permettent de répondre à des contraintes très spécifiques : étanchéité, frottement, usure, exposition aux agents chimiques, isolation électrique, réduction du poids d’une pièce ou encore amortissement des vibrations.

Le tableau ci-dessous met en lumière différents polymères associés à leurs propriétés principales et leurs applications :