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RÉSUMÉ
Les caractéristiques superficielles des polymères conditionnent fortement leurs propriétés d’emploi, qu’ils soient sous forme de pièces massives ou sous forme de revêtements. L’étude et l’analyse des surfaces de polymères à l’état solide suite à une mise en forme nécessite une approche pluridisciplinaire : tout d'abord déterminer les spécificités du matériau polymère et l’aspect dynamique des surfaces de polymères puis caractériser les propriétés de surface de polymères du point de vue physico-chimique, optique et leurs possibles modifications par des traitements chimiques ou physiques.
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Évelyne DARQUE-CERETTI : Docteur ès sciences, Maître de recherches, MINES ParisTech, PSL – Research University, CEMEF – Centre de mise en forme des matériaux, CNRS UMR 7635, Sophia Antipolis
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Éric FELDER : Docteur ès sciences, Maître de recherches, MINES ParisTech, PSL – Research University, CEMEF – Centre de mise en forme des matériaux, CNRS UMR 7635, Sophia Antipolis
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Bernard MONASSE : Docteur ès sciences, Maître de recherches, MINES ParisTech, PSL – Research University, CEMEF – Centre de mise en forme des matériaux, CNRS UMR 7635, Sophia Antipolis
INTRODUCTION
Les propriétés de surface d’un matériau ont toujours une grande importance tant sur le plan scientifique que sur le plan des applications pratiques. Sur le plan thermodynamique, la surface possède une énergie libre en excès γ qui conditionne sa réactivité chimique superficielle et le succès d’une opération d’assemblage par collage par exemple. L’aspect esthétique du produit fini influence souvent sa valeur marchande. La surface est le lieu de phénomènes produisant des évolutions majeures du matériau et conditionnant sa durée de vie : formation de fissures par fatigue thermomécanique, dégradation par corrosion, interactions mécaniques avec un autre matériau solide responsable de la formation de rayures, du décollement d’un film, du frottement et de son usure… Les propriétés du matériau découlent de son histoire (élaboration et mise en forme) et elles sont très souvent significativement différentes en volume et en extrême surface. La mesure des propriétés d’extrême surface est donc à la fois un problème important et difficile, nécessitant le plus souvent des techniques spécifiques. Ces problèmes sont particulièrement notables pour les polymères, matériaux peu denses et aux molécules relativement mobiles à température ambiante, donc plus sensibles à l’environnement (température, gaz, humidité, liquide) que la plupart des alliages métalliques courants. Par ailleurs, on utilise de plus en plus des revêtements polymères pour maîtriser l’aspect esthétique des pièces dans les industries mécaniques, automobiles, optiques, agro-alimentaires….
Cet article complète l’article [AM3279] consacré aux propriétés mécaniques et tribologiques. Le procédé de mise en forme induit naturellement une hétérogénéité d’organisation moléculaire dans l’épaisseur des pièces. De ce fait, les surfaces de polymère ont une organisation spécifique qui se conjugue avec la présence d’une surface libre. L’aspect dynamique des surfaces de polymères présentent une mobilité moléculaire différente de celle du volume. L’organisation superficielle, dépendant du procédé de mise en forme, a des conséquences sur les propriétés optiques ainsi que sur la réactivité au vieillissement, aux traitements de surface et à l’adhérence des surfaces.
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Propriétés de surface et d’interface
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2. Aspect dynamique des surfaces
2.1 Températures et comportements caractéristiques
Pour un polymère amorphe, la température caractéristique principale est la température de transition vitreuse Tg , qui est due au figeage du déplacement de l’ensemble d’une molécule (diffusion de la molécule d’un polymère amorphe) ou de la mobilité de l’ensemble du segment moléculaire entre lamelles cristallines. À plus basse température, des mouvements de segments plus courts permettent soit un retour à l’équilibre thermodynamique, soit un « vieillissement physique ».
La transition principale dans les polymères semi-cristallins est la fusion des cristaux. La température de fusion dépend de l’épaisseur ℓ des cristaux et donc des conditions de cristallisation. La température (absolue) de fusion Tm est donnée par la formule de Gibbs-Thomson :
avec :
-
- température absolue de fusion du cristal parfait infini (température d’équilibre thermodynamique),
- γe :
- énergie de surface d’extrémité, c’est-à-dire des grandes faces cristallines,
- ΔHv :
- enthalpie de fusion volumique.
Cette température est d’autant plus basse que l’épaisseur des cristallites est faible.
Ainsi pour le polypropylène, ΔHv ≈ 1,6 × 108 J.m–3 et
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