Quel est le mécanisme de plastifiant dans les polymères

Les polymères, dans leur état d'origine, possèdent souvent un caractère rigide et parfois cassant qui peut limiter leur utilité dans diverses applications. Pour surmonter ces limites et transmettre la flexibilité, la procédabilité et la durabilité souhaitées, plastifications sont incorporés dans leurs formulations. Ces additifs, généralement des composés organiques à faible volatilité, modifient fondamentalement les propriétés physiques d'un polymère en modifiant sa structure interne et ses forces intermoléculaires. Comprendre le mécanisme complexe par lequel les plastifiants atteignent ces changements sont cruciaux pour la conception rationnelle et l'application de matériaux polymères.

Comprendre la rigidité du polymère

Avant de plonger dans le rôle des plastifiants, il est important de saisir les sources de rigidité dans les polymères non plastifiés. Les polymères sont composés de longues chaînes moléculaires, et leurs propriétés sont largement déterminées par les interactions entre ces chaînes. En polymères rigides, fort forces intermoléculaires Comme les forces de van der Waals, la liaison hydrogène ou les interactions dipol-dipole créent un réseau hautement cohésif. Cela restreint le mouvement segmentaire des chaînes polymères, ce qui signifie que des parties individuelles des chaînes ne sont pas en mesure de se déplacer librement les unes des autres. Cette mobilité limitée se traduit par un haut Température de transition du verre (TG) , une température critique en dessous duquel le polymère se comporte comme un solide rigide et vitreux.

Le rôle des plastifiants: un lubrifiant moléculaire

Les plastifiants fonctionnent principalement comme des «lubrifiants internes» ou des «espaceurs» dans la matrice polymère. Lorsqu'un plastifiant est mélangé avec un polymère, ses molécules s'intercalisent entre les chaînes de polymère. Cette insertion a plusieurs conséquences clés:

1. Réduire les forces intermoléculaires

L'effet le plus significatif des plastifiants est le atténuation des forces attractives entre les chaînes polymères. Les molécules de plastifiant, étant plus petites et souvent plus polaires que les segments de polymère, dépister ou diluer efficacement les fortes interactions polymère-polymère. En introduisant de nouvelles interactions plastifiantes-polymères plus faibles (ou simplement séparant les chaînes de polymère), la densité d'énergie cohésive globale du système est réduite.

2. Augmentation du volume libre

L'intercalation des molécules de plastifiant conduit également à un Augmentation du volume libre Dans la matrice polymère. Le volume libre fait référence à l'espace vide entre les chaînes polymères qui n'est pas occupée par les molécules de polymère elles-mêmes. Au fur et à mesure que les molécules de plastifiant s'insèrent, elles poussent les chaînes polymères plus éloignées. Cet espace vide accru permet une plus grande mobilité segmentaire des chaînes polymères.

3. Améliorer le mouvement segmentaire

Avec des forces intermoléculaires réduites et une augmentation du volume libre, le La mobilité des segments de polymère augmente considérablement . Les chaînes en polymère peuvent désormais glisser et tourner plus facilement les uns les autres. Ce mouvement amélioré de la chaîne se manifeste comme une flexibilité accrue, une élasticité et une réduction du module du polymère (rigidité).

4. Abaissement de la température de transition du verre (TG)

Une conséquence directe de l'augmentation du mouvement segmentaire est un Dépression de la température de transition du verre (TG) . Alors que les plastifiants permettent aux chaînes de polymère de se déplacer plus librement à des températures plus basses, la transition d'un état vitreux rigide à un état caoutchouteux plus flexible se produit à une température plus basse. Il s'agit d'un effet critique pour le traitement, car il permet aux polymères d'être façonnés et formés à des températures plus gérables.

Mécanismes de l'action du plastifiant: théories et perspectives

Plusieurs théories tentent d'expliquer le mécanisme complexe de l'action du plastifiant:

• Théorie de la lubricité: Cette théorie classique postule que les molécules de plastifiant agissent comme des lubrifiants internes, réduisant le frottement entre les chaînes de polymère lorsqu'ils glissent les uns les autres. Ceci est analogue aux pièces mécaniques lubrifiantes à l'huile.

• Théorie du gel: Cette théorie suggère que les plastifiants perturbent les régions ordonnées, cristallines ou pseudo-cristallines (gels) dans le polymère, permettant ainsi une plus grande mobilité de la chaîne.

• Théorie du volume gratuit: C'est peut-être la théorie la plus largement acceptée. Il postule que les plastifiants augmentent le volume libre dans le polymère, offrant plus d'espace pour le mouvement segmentaire et réduisant ainsi le TG.

• Théorie du dépistage (ou théorie de la solvatation): Cette théorie met l'accent sur la capacité des molécules de plastifiant à "dépister" ou à encapsuler les groupes polaires sur des chaînes polymères, réduisant ainsi de fortes interactions dipolaires polymère-polymère et permettant aux chaînes de se séparer.

Il est important de noter que ces théories ne s'excluent pas mutuellement et se complètent souvent, fournissant une compréhension complète de l'action du plastifiant.

Facteurs influençant l'efficacité du plastifiant

L'efficacité d'un plastifiant est influencée par plusieurs facteurs, notamment:

• Compatibilité: Le plastifiant doit être compatible avec le polymère, ce qui signifie qu'il peut former un mélange stable et homogène sans séparation de phase. Cela dépend souvent de la similitude de leurs paramètres de solubilité.

• Taille et forme moléculaire: Des molécules de plastifiant plus petites et plus mobiles offrent généralement une plus grande efficacité de plastification.

• Polarité: La polarité du plastifiant doit être appropriée pour interagir efficacement avec le polymère tout en n'étant pas aussi forte que de provoquer la lixiviation ou l'exsudation.

• Concentration: Il y a une concentration optimale de plastifiant. Trop peu aura un effet minimal, tandis que trop peut entraîner une exsudation, une résistance mécanique réduite et d'autres propriétés indésirables.

Conclusion

Essentiellement, les plastifiants transforment fondamentalement les propriétés macroscopiques des polymères en modifiant subtilement leur architecture microscopique. En agissant comme des espaceurs moléculaires et des lubrifiants, ils perturbent de fortes forces intermoléculaires, augmentent le volume libre et améliorent la mobilité segmentaire, abaissant finalement la température de transition du verre et conférant la flexibilité et la procédabilité. La sélection judicieuse et l'incorporation de plastifiants sont indispensables pour que les matériaux polymères de l'adaptation répondent aux diverses demandes d'ingénierie moderne et d'applications de consommation.