Polymer Science and Engineering
[MAPR2019]
[45h + 15h] 5 crédits
Cette activité se déroule pendant le 1er quadrimestre.
Enseignants : Sophie Demoustier, Alain Jonas(coord.), Roger Legras
Langue d'enseignement : Anglais
Niveau : Second cycle
Objectifs (en termes de compétences)
1. décrire les propriétés et transitions principales des matériaux polymères, et les justifier sur base de leurs caractéristiques moléculaires et des phénomènes dynamiques se produisant au niveau de la chaîne polymère;
2. décrire et expliquer les mécanismes des grandes méthodes de synthèse des polymères et établir les relations entre la synthèse et les caractéristiques moléculaires des chaînes.
Ces compétences permettront à l'étudiant intéressé de suivre ensuite les cours spécialisés du domaine, par exemple ceux qui figurent dans l'option "Polymères et macromolécules" du programme de master ingénieur civil en chimie et science des matériaux.
Objet de l'activité (principaux thèmes à aborder)
La première introduit brièvement les étudiants aux caractéristiques essentielles des chaînes macromoléculaires et des matériaux polymères (importance pratique, classification, distribution des masses molaires, configurations des chaînes, conformations, modélisation des chaînes).
Les deuxième et troisième parties se déroulent en parallèle, et présentent respectivement les propriétés physiques et les méthodes de synthèse de cette classe de matériaux. Une attention particulière est portée sur le lien entre procédé de synthèse, structure des macromolécules, propriétés microscopiques des chaînes macromoléculaires, structure du matériau résultant, et propriétés physiques exprimées au niveau macroscopique.
Plus précisément, la deuxième partie aborde la structure et les propriétés des matériaux polymères amorphes (structure moléculaire, état vitreux, transition vitreuse, visco-élasticité, rhéologie des polymères fondus, vieillissement des verres, etc.), des systèmes réticulés physiquement ou chimiquement (élasticité des caoutchoucs), et plus brièvement des polymères semi-cristallins. La troisième partie aborde les deux voies de synthèse des polymères, la polymérisation en chaîne (polymérisations radicalaires, y compris contrôlées, polymérisation par coordination, polymérisations ioniques, co-polymérisations) et la polymérisation par étapes (polycondensation). Elle se termine par un très bref exposé concernant la stabilité et la dégradation de cette classe de matériaux.
La quatrième partie, correspondant aux 15 heures de travaux pratiques, consiste en la visite d'entreprises actives dans le domaine de la synthèse, de la mise en forme et de l'utilisation des polymères. Elle permet à l'étudiant d'appréhender l'importance des concepts vus au cours dans le monde industriel.
Résumé : Contenu et Méthodes
Cours magistraux émaillés de petits exercices à résoudre pendant ou après la classe, illustration des concepts par des cas pratiques tirés du monde industriel ou de l'expérience professionnelle des enseignants, visites d'usines.
Contenu :
1. Introduction: importance et brève histoire des polymères
2. Les principales classes de macromolécules et leurs caractéristiques
3. Configurations, conformations et modélisation des chaînes linéaires
3.1. Configuration versus conformation: définitions
3.2. Configurations des chaînes macromoléculaires
3.3. Conformations des chaînes macromoléculaires
3.4. Structures secondaires, tertiaires et quaternaires
4. Chaînes en conformations désordonnées: l'état amorphe
4.1. Etats amorphe, cristallin et cristallin liquide: définition
4.2. La pelote statistique dans l'état amorphe
4.3. "Etats" vitreux et liquide
4.4. De l'état vitreux à l'état liquide: la transition vitreuse
5. Chaînes en conformation d'énergie minimale: les cristaux de polymères
5.1. Structure des polymères semi-cristallins: conformations de basse énergie, lamelles cristallines, sphérolites
5.2. De l'état cristallin à l'état liquide: la fusion des polymères semi-cristallins
5.3. Bref aperçu des propriétés mécaniques des polymères semi-cristallins
6. Chaînes réticulées et caoutchoucs
6.1. Introduction aux matériaux caoutchoutiques
6.2. Calcul de la force de rétraction exercée par un segment de chaîne
6.3. Analogie avec la pression exercée par un gaz parfait comprimé
6.4. Calcul de la force de rétraction exercée par un réseau caoutchoutique
6.5. Ponts de réticulation physiques (élastomères thermoplastiques, polymères semi-cristallins, enchevêtrements)
7. Visco-élasticité des polymères
7.1. Relaxation et fluage
7.2. Deux illustrations importantes de la visco-élasticité des polymères: le vieillissement physique des verres et les propriétés rhéologiques des polymères
8. Introduction à la chimie des polymères : caractères généraux des réactions de polymérisation
8.1. Classification des réactions de synthèse des macromolécules
8.2. Réactions de polycondensations
8.3. Réactions de polymérisation en chaînes
9. Polymérisation en chaînes
9.1. Polymérisabilité ou influence de la nature des centres actifs et des monomères sur la réactivité en polymérisation radicalaire et ionique
9.2. Polymérisation radicalaire
9.3. Polymérisation par coordination
9.4. Polymérisations ioniques (anionique et cationique)
9.5. Copolymérisation
10. Polymérisation par étapes
10.1. Caractéristiques générales
10.2. Polycondensation des monomères bi-fonctionnels
10.3. Monomères polyfonctionnels : formation de réseaux tri-dimensionnels
10.4. Masses moléculaires, distribution des masses moléculaires et contrôle de la nature des fins de chaîne
10.5. Principales réactions utilisées pour les polymérisations par étapes
10.6. Aspects cinétiques
10.7. Techniques de polycondensation
11. Réactivité et modification chimique des polymères
11.1. Réactions sur polymères
11.2. Réactions de dégradation des polymères
11.3. Eléments de stabilisation des polymères
Autres informations (Pré-requis, Evaluation, Support, ...)
Les supports de cours sont constitués de livres de référence et, pour certaines parties, de notes de cours procurées par les enseignants.