Bibliographie & annexes
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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 tribologique
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2. Comportement mécanique
2.1 Élasticité naturelle
La propriété caractéristique des matériaux caoutchouteux, que l'on appelle également élastomères, est leur extraordinaire élasticité. Selon la chronologie historique, c'est en 1805 que Gouth met en évidence les propriétés thermo-élastiques du caoutchouc naturel. Vers 1850, Joule et Kelvin entreprennent l'analyse thermodynamique de l'élasticité de ce type de matériaux et c'est seulement en 1932 que Meyer, van Susick et Valko proposent le mécanisme moléculaire de l'élasticité caoutchouteuse. Comme l'a décrit Staudinger en 1920, un matériau caoutchouteux est formé par l'enchaînement covalent de motifs structuraux simples, identiques, appelés monomères. La synthèse des macromolécules fait appel aux principes chimiques traditionnels de multivalence des atomes. Une macromolécule est donc une longue chaîne pouvant être constituée de plusieurs milliers de monomères. Lorsque l'on impose une déformation à un bloc de caoutchouc obtenu par simple coagulation du latex, les macromolécules glissent les unes par rapport aux autres et l'échantillon se comporte comme un mastic ou de la pâte à modeler avec une légère élasticité due aux enchevêtrements de chaînes qui jouent le rôle de points d'ancrage entre lesquels chaque portion de chaînes macromoléculaires se comporte comme un ressort. Le but de la vulcanisation du caoutchouc naturel est de remplacer les points d'enchevêtrement par des ponts chimiques, appelés points de réticulation ou encore nœuds du réseau macromoléculaire, à l'aide du soufre ou d'autres ingrédients, en créant des liaisons chimiques rigides entre les différentes chaînes. Pour les caoutchoucs synthétiques, les ponts rigides sont formés en réalisant des réactions de polymérisation (voir la 1).
À la température ambiante, les chaînes macromoléculaires sont en perpétuel mouvement (mouvement brownien). En l'absence de toute force imposée à une bande d'élastomère, c'est-à-dire dans l'état que l'on peut appeler « au repos », les chaînes peuvent explorer un très grand nombre de configurations (formes), sans dissipation notable d'énergie, puisque toutes les configurations possibles ont par définition des énergies voisines. Cette situation correspond au plus grand nombre de degrés de liberté, il y règne le plus grand désordre...
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