Polymérisation - Polymerization

Définition IUPAC

Polymérisation : Processus de conversion d'un monomère ou d'un mélange de monomères en un polymère .

Un exemple de polymérisation d'alcène , dans laquelle la double liaison de chaque monomère de styrène se reforme en une liaison simple plus une liaison à un autre monomère de styrène. Le produit est en polystyrène .

En chimie des polymères , la polymérisation ( anglais américain ) ou la polymérisation ( anglais britannique ) est un processus consistant à faire réagir des molécules de monomère ensemble dans une réaction chimique pour former des chaînes polymères ou des réseaux tridimensionnels. Il existe de nombreuses formes de polymérisation et différents systèmes existent pour les catégoriser.

Aperçu

Homopolymères
Copolymères

Dans les composés chimiques , la polymérisation peut se produire via une variété de mécanismes réactionnels dont la complexité varie en raison des groupes fonctionnels présents dans les réactifs et de leurs effets stériques inhérents . Dans des polymérisations plus simples, les alcènes forment des polymères par des réactions radicalaires relativement simples ; en revanche, les réactions impliquant une substitution au niveau d'un groupe carbonyle nécessitent une synthèse plus complexe en raison de la manière dont les réactifs polymérisent. Les alcanes peuvent également être polymérisés, mais uniquement à l'aide d'acides forts.

Comme les alcènes peuvent polymériser dans des réactions radicales assez simples, ils forment des composés utiles tels que le polyéthylène et le chlorure de polyvinyle (PVC), qui sont produits en quantités élevées chaque année en raison de leur utilité dans les processus de fabrication de produits commerciaux, tels que la tuyauterie, l'isolation et l'emballage. . En général, les polymères tels que le PVC sont appelés « homopolymères », car ils sont constitués de longues chaînes répétées ou de structures de la même unité monomère, tandis que les polymères constitués de plus d'une unité monomère sont appelés copolymères (ou copolymères ).

D'autres unités monomères, telles que les hydrates de formaldéhyde ou les aldéhydes simples, sont capables de se polymériser à des températures assez basses (environ -80 °C) pour former des trimères ; molécules constituées de 3 unités monomères, qui peuvent se cycliser pour former des structures cycliques cycliques, ou subir d'autres réactions pour former des tétramères , ou 4 composés à unités monomères. Ces petits polymères sont appelés oligomères . En général, parce que le formaldéhyde est un électrophile exceptionnellement réactif, il permet l' addition nucléophile d' intermédiaires hémiacétals , qui sont en général des composés « intermédiaires » de courte durée et relativement instables qui réagissent avec d'autres molécules présentes pour former des composés polymères plus stables.

Une polymérisation qui n'est pas suffisamment modérée et se déroule à un rythme rapide peut être très dangereuse. Ce phénomène est connu sous le nom de polymérisation dangereuse et peut provoquer des incendies et des explosions.

Croissance par étapes vs. polymérisation en chaîne

La croissance par étapes et la croissance en chaîne sont les principales classes de mécanismes de réaction de polymérisation. Le premier est souvent plus simple à mettre en œuvre mais nécessite un contrôle précis de la stoechiométrie. Ce dernier fournit de manière plus fiable des polymères de poids moléculaire élevé, mais ne s'applique qu'à certains monomères.

Croissance progressive

Dans la polymérisation par étape (ou étape), des paires de réactifs, de n'importe quelle longueur, se combinent à chaque étape pour former une molécule de polymère plus longue. La masse molaire moyenne augmente lentement. Les longues chaînes ne se forment que tardivement dans la réaction.

Les polymères à croissance par étapes sont formés par des étapes de réaction indépendantes entre des groupes fonctionnels d'unités monomères, contenant généralement des hétéroatomes tels que l'azote ou l'oxygène. La plupart des polymères à croissance progressive sont également classés comme polymères de condensation , car une petite molécule telle que l'eau est perdue lorsque la chaîne polymère est allongée. Par exemple, les chaînes polyester se développent par réaction de groupes alcool et acide carboxylique pour former des liaisons ester avec perte d'eau. Cependant, il existe des exceptions; par exemple, les polyuréthanes sont des polymères à croissance progressive formés à partir de monomères bifonctionnels isocyanate et alcool) sans perte d'eau ou d'autres molécules volatiles, et sont classés comme polymères d'addition plutôt que comme polymères de condensation.

Les polymères à croissance par étapes augmentent en masse moléculaire à une vitesse très lente à des conversions plus faibles et n'atteignent des masses moléculaires modérément élevées qu'à une conversion très élevée (c'est-à-dire > 95 %). La polymérisation à l' état solide pour donner des polyamides (par exemple des nylons) est un exemple de polymérisation à croissance par étapes.

Croissance en chaîne

Dans la polymérisation par croissance de chaîne (ou chaîne), la seule étape de réaction d'extension de chaîne est l'ajout d'un monomère à une chaîne en croissance avec un centre actif tel qu'un radical libre , un cation ou un anion . Une fois que la croissance d'une chaîne est initiée par la formation d'un centre actif, la propagation de la chaîne est généralement rapide par addition d'une séquence de monomères. De longues chaînes se forment dès le début de la réaction.

La polymérisation en chaîne (ou polymérisation par addition) implique la liaison entre elles de monomères insaturés, notamment contenant des doubles liaisons carbone-carbone . La liaison pi est perdue par formation d'une nouvelle liaison sigma. La polymérisation en chaîne est impliquée dans la fabrication de polymères tels que le polyéthylène , le polypropylène , le polychlorure de vinyle (PVC), l' acrylate . Dans ces cas, les alcènes RCH=CH 2 sont convertis en alcanes de haut poids moléculaire (-RCHCH 2 -) n (R = H, CH 3 , Cl, CO 2 CH 3 ).

D'autres formes de polymérisation par croissance de chaîne comprennent la polymérisation par addition cationique et la polymérisation par addition anionique . Un cas particulier de polymérisation en chaîne conduit à une polymérisation vivante . La polymérisation Ziegler-Natta permet un contrôle considérable de la ramification des polymères .

Polymérisation de l' éthylène

Diverses méthodes sont utilisées pour manipuler les taux d'initiation, de propagation et de terminaison pendant la polymérisation en chaîne. Un problème connexe est le contrôle de la température, également appelé gestion de la chaleur , lors de ces réactions, qui sont souvent très exothermiques. Par exemple, pour la polymérisation de l'éthylène, 93,6 kJ d'énergie sont libérés par mole de monomère.

La manière dont la polymérisation est conduite est une technologie très évoluée. Les méthodes comprennent la polymérisation en émulsion , la polymérisation en solution , la polymérisation en suspension et la polymérisation par précipitation . Bien que la dispersité et le poids moléculaire du polymère puissent être améliorés, ces procédés peuvent introduire des exigences de traitement supplémentaires pour isoler le produit d'un solvant.

Photopolymérisation

La plupart des réactions de photopolymérisation sont des polymérisations en chaîne qui sont initiées par l'absorption de lumière visible ou ultraviolette. La lumière peut être absorbée soit directement par le monomère réactif ( photopolymérisation directe ), soit encore par un photosensibilisateur qui absorbe la lumière puis transfère de l'énergie au monomère. En général, seule l'étape d'amorçage diffère de celle de la polymérisation thermique ordinaire du même monomère ; les étapes ultérieures de propagation, de terminaison et de transfert de chaîne restent inchangées. Dans la photopolymérisation par étapes, l'absorption de lumière déclenche une réaction d'addition (ou de condensation) entre deux comonomères qui ne réagissent pas sans lumière. Un cycle de propagation n'est pas initié car chaque étape de croissance nécessite l'assistance de la lumière.

La photopolymérisation peut être utilisée comme procédé photographique ou d'impression, car la polymérisation ne se produit que dans les régions qui ont été exposées à la lumière. Le monomère n'ayant pas réagi peut être retiré des régions non exposées, laissant une image polymère en relief. Plusieurs formes d' impression 3D, y compris la stéréolithographie couche par couche et la photopolymérisation 3D à absorption à deux photons, utilisent la photopolymérisation.

La polymérisation multiphotonique à l'aide d'impulsions uniques a également été démontrée pour la fabrication de structures complexes à l'aide d'un dispositif à micromiroir numérique .

Rapport polymère

Dans une formulation ou une recette donnée d'un composé polymère , la quantité totale/parties pour cent de polymère ajouté pour préparer certains composés est appelée rapport de polymère . Il se réfère essentiellement à la quantité agrégée de polymère contenu dans la formulation qui peut subir tout changement physique ou chimique au cours de la post-polymérisation ou du traitement thermique physique .

Voir également

Les références