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En anglais
RÉSUMÉ
La non-trivialité des propriétés mécaniques du caoutchouc naturel et de ses homologues synthétiques fait que ces matériaux particuliers sont fréquemment utilisés dans la vie quotidienne, pour leur caractère extensible notoire, et leur imperméabilité à l'air et à de nombreux fluides. La multiplicité des utilisations des matériaux caoutchouteux, naturels et synthétiques, n'est bien évidemment pas fortuite. Elle résulte des propriétés mécaniques surprenantes que leur confèrent leurs structures chimique et macromoléculaire. D'une grande souplesse, ces matériaux sont capables de supporter à température ambiante des allongements importants et de reprendre dans un temps très court leur dimension initiale. Après un bref rappel de l'utilisation du caoutchouc naturel et de la mise en oeuvre des premiers matériaux synthétiques, leurs principales propriétés volumiques, superficielles et tribologiques (adhérence, glissance, roulement et usure) sont décrites.
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Due to the non-trivial mechanical properties of natural rubber and its synthetic counterparts, these particular materials are frequently used in daily life, for their extensibility and impermeability to air and a large number of fluids. The multiplicity of rubber uses, be it natural or synthetic, is obviously not accidental. It results from the astonishing mechanical properties derived from their chemical and macromolecular structures. These highly flexible materials are capable of withstanding significant stretching at ambient temperature and resume their original size in a very short period of time. After a brief reminder of the use of natural rubber and the implementation of the first synthetic materials, their principal volumic, surface and tribological properties (adhesion, skidding, rolling and wear) are described.
Auteur(s)
-
Michel BARQUINS : Docteur d'état ès Sciences physiques, - Ancien directeur de recherche du CNRS, au laboratoire de physique et mécanique des milieux hétérogènes à l'École supérieure de physique et chimie industrielles (Paris)
INTRODUCTION
La non-trivialité des propriétés mécaniques du caoutchouc naturel, chargé en noir de carbone ou non, et de ses homologues synthétiques d'aspects variés fait que ces matériaux particuliers sont fréquemment utilisés dans la vie quotidienne, pour leur caractère extensible notoire (bracelets élastiques, fibres élasthanne, chewing-gums, tendeurs, bretelles, jarretelles, garrots, soufflets, appareils de saut dit « à l'élastique », etc.) et comme protections diverses du fait de leur imperméabilité à l'air et à de nombreux fluides (cirés, gants, tabliers, bavettes, bottes, imperméables, chambres à air, bateaux pneumatiques, préservatifs, tuyaux, ballons d'enfants, tétines, etc.).
Ils entrent également dans la construction d'organes mécaniques dans lesquels interviennent le contact statique, le frottement et le roulement. Citons à titre d'exemple, les joints d'étanchéité, les appareils d'appui de ponts, les appareils d'appui antisismiques, les patins de rails, les embouts antidérapants, les blocs d'amortissement, les pneumatiques de toutes formes et dimensions (patinettes, poussettes d'enfants, bicyclettes, motos, voitures de tourisme, camionnettes, certains métros et tramways, véhicules poids lourds, engins de génie civil, avions, bolides de formule 1, etc.), les courroies de transmission, les raclettes de balais d'essuie-glace, les lèche-vitres, les semelles de chaussures, les tapis transporteurs, les patins de freins de bicyclettes, corps de vannes, gomme à effacer, etc. Ces exemples récents ne doivent pas faire oublier que le caoutchouc naturel issu du latex était connu des populations amérindiennes il y a quelque trente siècles.
La multiplicité des utilisations des matériaux caoutchouteux, naturel et synthétiques, n'est bien évidemment pas fortuite ; elle résulte des propriétés mécaniques surprenantes que leur confèrent leurs structures chimique et macromoléculaire particulières. Les matériaux caoutchouteux se caractérisent par une grande souplesse, ils sont capables de supporter à température ambiante des allongements importants (jusqu'à sept fois leur dimension au repos) et de reprendre dans un temps très bref leur dimension initiale. De plus, le coefficient de frottement des matériaux caoutchouteux est très élevé : c'est la raison pour laquelle on les utilise dans la fabrication des pneumatiques. Très précisément, c'est le frottement élevé entre la bande de roulement d'un pneumatique et le revêtement routier qui assure la tenue de route des véhicules automobiles.
Après un bref rappel de la découverte et de l'utilisation du caoutchouc naturel par les amérindiens il y a quelque trente siècles et de la mise en œuvre de ses premiers homologues synthétiques, on décrit les principales propriétés volumiques et superficielles des matériaux caoutchouteux qui leur confèrent des propriétés tribologiques particulières (adhérence, glissance, roulement et usure) mises à profit dans le fonctionnement de nombreux systèmes mécaniques et tout particulièrement dans celui des pneumatiques.
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Comportement mécanique
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1. Historique
Les premières études et exploitations industrielles du caoutchouc naturel remontent au retour d'Amérique du Sud du savant français Charles Marie de La Condamine qui réalise la première description scientifique de ce matériau, au milieu du XVIIIe siècle. Comme suite à son périple, qui dura 10 années de 1735 à 1745, il raconte dans son rapport à l'Académie des Sciences comment les indiens d'Amazonie recueillent une liqueur laiteuse, le latex, en incisant l'écorce de certains arbres, dont le plus connu et le plus exploité aujourd'hui est l'Hevea brasiliensis. La saignée est d'ailleurs toujours le procédé utilisé pour récolter le latex. De cette substance laiteuse, qui durcit par coagulation à la chaleur et noircit lentement à l'air, les indiens réalisent des flambeaux qui brûlent parfaitement sans mèche, pour se protéger de la pluie ils imperméabilisent des toiles par enduction de latex, ils façonnent divers objets utilitaires, par moulage sur argile, comme des écuelles, des bouteilles, des seringues, des plastrons pare flèches et des bottes. Le mot caoutchouc est, dit-on, la traduction francisée par La Condamine du dialecte local « cao » qui veut dire « bois » et « o-chu » signifiant « qui pleure ». On dit aussi que les indiens Maïpas, qui habitent les pays de la province de Quito en Équateur, nomment la résine qu'il tire du latex « cahutchu », qui se prononce caoutchouc. Il est maintenant bien établi que les civilisations précolombiennes, comme les Olmèques en Mésoamérique, qui vivaient il y a quelque 3 000 ans dans la région chaude de l'actuel golfe du Mexique, connaissaient le caoutchouc naturel. Dans le langage aztèque, le caoutchouc était appelé « olli » ou « ollin » d'où le nom d'Olmèques donné à ces lointains ancêtres qui utilisaient le caoutchouc.
C'est d'Angleterre que viendront les premières découvertes pratiques, comme :
-
l'utilisation du caoutchouc en guise de gomme à effacer découverte par le chimiste anglais Joseph Priestley en 1770 qui lui donna le nom de rubber ;
-
l'effet de la mastication du caoutchouc sur sa capacité à la plastification découvert par Thomas Hancock en 1821 ;
-
l'imperméabilisation des tissus inventée par Charles Henry Macintosh en 1823. Cette imperméabilisation, Macintosh l'a rendue possible et facilement...
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