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Analyse physico-chimique des polymères

D ans le domaine industriel, une opération de caractérisation d’un polymère est toujours déclenchée à partir d’un problème concret, par exemple :

• obtention d’une « empreinte digitale » du matériau en vue de vérifier la constance d’un approvisionnement ;

• prédiction du comportement (dans les conditions de mise en œuvre ou d’utilisation) ;

• expertises diverses (difficultés de mise en œuvre, vieillissement, propriétés non conformes, etc.) ;

• amélioration du comportement du matériau par modification de la structure, de la composition ou de la morphologie...

Presque tous ces problèmes pourraient être résolus par la détermination de propriétés d’utilisation, la structure du matériau étant considérée comme une « boîte noire ». Cependant, ce type d’approche − relativement courant dans la pratique − ne favorise pas l’accumulation de connaissances ; il se révèle lourd et peu fécond. Par exemple, un ensemble assez riche de données sur le comportement thermomécanique d’un polymère pourrait constituer une « empreinte digitale » assez fine d’un matériau, mais il ne nous donnerait aucune indication sur les modifications à apporter à la structure ou à la formulation pour obtenir une modification des propriétés.

Il est donc préférable, dans la grande majorité des cas, de rechercher une description du matériau en termes de structure, composition, morphologie, mais le praticien est alors confronté à un double problème :

• le nombre quasi infini de variables structurales définissant l’état d’un matériau donné : quelles sont celles qui sont pertinentes pour le problème traité ? Par exemple, vaut-il mieux déterminer la masse moléculaire moyenne ou le taux de cristallinité pour rendre compte de l’absorption d’eau d’un PET ?

• l’ensemble des variables pertinentes et des (éventuellement multiples) voies analytiques pour les déterminer : lesquelles choisir pour optimiser la vitesse ou le coût de l’opération ? Si l’on ne dispose pas des méthodes classiques, comment accéder indirectement à la réponse recherchée ?

On imagine aisément que la difficulté se trouve plus souvent dans la recherche de la bonne voie plutôt que dans la résolution des problèmes analytiques proprement dits.

L’objectif de cet article est de donner une vue panoramique des problèmes d’analyse des polymères en considérant ces problèmes sous l’angle de la science des matériaux plutôt que sous celui, plus classique, de la physicochimie des polymères.

Peut-on proposer une démarche analytique systématique pour les polymères comme on l’a fait, par exemple, pour les substances inorganiques ? C’est théoriquement possible mais cela ne présenterait aucun intérêt dans la pratique où la caractérisation est plus affaire de « culture » et d’« expérience » que de méthode logique. Un spécialiste de l’analyse des polymères doit d’abord avoir de solides connaissances dans le domaine des relations structure-propriétés pour pouvoir déterminer rapidement quel niveau de la structure il doit viser pour apporter une réponse à la question posée. Nous verrons qu’il existe essentiellement trois échelles de structure : l’échelle moléculaire, l’échelle macromoléculaire et l’échelle supramoléculaire, et que chacune se caractérise par des outils conceptuels et expérimentaux spécifiques. L’analyste doit donc se situer au carrefour de trois disciplines : la chimie organique, la physico-chimie macromoléculaire et, ce que, faute de mieux, nous appellerons l’analyse physique, dont les techniques sont souvent communes à l’ensemble des matériaux (microscopie, analyse thermique, analyse thermomécanique, etc.).

Nous allons donc étudier successivement les différentes échelles de structure en consacrant, dans chaque cas, un paragraphe :

• à la définition de l’échelle de structure considérée et la gradation des difficultés que l’on peut y rencontrer sur le plan analytique ;

• aux principales propriétés de mise en œuvre et d’utilisation dépendant de la structure à cette échelle ;

• aux principales démarches expérimentales pour la caractérisation structurale.