Température et polymères

Maintenant que nous avons une meilleure compréhension de la structure du matériau, nous allons approfondir ses propriétés thermiques pour comprendre son comportement en fonction de la température. Pour ce faire, nous devons d'abord définir le test qui révélera les propriétés thermiques d'un polymère : la DSC.

Définition de la DSC

La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) est un type d'analyse thermique dans lequel un échantillon est placé dans une chambre et la quantité de chaleur requise pour augmenter continuellement la température interne de la chambre est mesurée. Cette forme d'analyse est conçue pour repérer les températures auxquelles l'échantillon subit certaines transitions d'état, par exemple la transition vitreuse, la cristallisation et la fusion, en documentant comment un polymère réagit à l'augmentation progressive de la chaleur via son niveau d'absorption et de libération d'énergie.

DSC

Température de transition vitreuse (Tg)

La température de transition vitreuse peut être trouvée dans tous les polymères ; elle se réfère à la température à laquelle l'état physique d'un polymère passe de vitreux (dur et cassant) à caoutchouteux (doux et flexible). La Tg est généralement utilisée pour mettre en évidence la température de service maximale d'un polymère amorphe.

Température de cristallisation (Tc)

La cristallisation se produit entre Tg et Tm (température de fusion). C'est le processus par lequel les molécules du polymère s'alignent pour former des cristaux. La température de cristallisation est le point auquel les polymères cristallisent à la vitesse la plus élevée.

Température de fusion (Tm)

La température de fusion est le point auquel les domaines cristallins d'un polymère semi-cristallin commencent à fondre/se déformer. Les polymères amorphes n'ont pas de température de fusion définie.

Température de décomposition (Td)

La température de décomposition est la température à laquelle un matériau commence à se détériorer, c'est-à-dire que l'épine dorsale du polymère commence à se décomposer.

Remarques sur le graphique et les définitions ci-dessus

Une façon simple de le comprendre est que la chaleur (énergie) injectée dans la chambre sera utilisée pour augmenter la température interne ; cependant, si l'échantillon (polymère) à l'intérieur de la chambre absorbe une partie de l'énergie thermique pour un réalignement structurel, davantage de chaleur devra être injectée pour augmenter continuellement la température à un taux constant.

En se référant au graphique ci-dessous, au début une quantité constante de chaleur est appliquée au système pour augmenter la température à un certain rythme. À Tg (température de transition vitreuse), on peut remarquer que plus de chaleur est requise pour augmenter la température au même rythme ; c'est parce que l'échantillon absorbera une partie de l'énergie thermique pour rompre ses liaisons non covalentes et permettre aux polymères de se mouvoir plus librement (ce qui rend le matériau plus mou).

Après cette transition de phase, l'échantillon aura une capacité thermique plus élevée, donc le système nécessitera toujours une quantité constante de chaleur injectée pour augmenter la température du système au même rythme, mais cette quantité sera plus élevée qu'avant Tg. L'énergie continuellement absorbée par l'échantillon fera que la microstructure du polymère se déplacera de plus en plus librement (les excitera). À Tc (température de cristallisation), la chaîne polymère de l'échantillon aura suffisamment de liberté de mouvement pour former des cristaux. L'échantillon libérera alors de l'énergie (chaleur), ce qui signifie que nous aurons besoin d'injecter moins de chaleur dans le système pour augmenter sa température.

La raison en est que la structure cristalline (une structure plus ordonnée) provient d'une structure plus désordonnée, ce qui nécessitera moins d'énergie, d'où la libération de l'énergie excédentaire. Une fois les cristaux formés, plus aucune énergie ne sera libérée par l'échantillon vers le système. Cependant, peu de temps après la formation des cristaux, à Tm (température de fusion), les chaînes polymères continueront à gagner de l'énergie (mouvement) qui les excitera trop et fera rompre la structure cristalline, absorbant ainsi de l'énergie du système, nécessitant donc d'injecter plus d'énergie dans le système pour continuer à augmenter la température à un rythme constant. Après la rupture de tous les cristaux, l'échantillon ne nécessitera plus d'énergie supplémentaire du système. Cela explique les deux pics opposés à Tc et Tm. À Td (température de décomposition), l'échantillon commencera à se décomposer, ce qui signifie que des liaisons covalentes commenceront à se rompre ; l'échantillon perdra sa capacité thermique et donc moins de chaleur sera nécessaire pour augmenter la température du système.

Maintenant que les transitions thermiques et le comportement des polymères en fonction de la température sont mieux compris, nous pouvons utiliser ces connaissances pour expliquer certains des phénomènes d'impression 3D :