1.  Introduction

Lors de cet exposé sur le caoutchouc, je vais vous parler des propriétés des élastomères en général : leur élasticité, leur incompressibilité, ...

Il est évident que tous les élastomères n'ont pas les mêmes propriétés. Et de nombreuses entreprises font du caoutchouc synthétique. Je vais donc vous citer les propriétés générales des élastomères avant de me concentrer sur celles des élastomères un peu "spéciaux" mais dont l'utilisation est courante.

Commençons par un peu de chimie. Le caoutchouc brut provient du latex coagulé. C’est un polymère incolore, voir blanc, dont le monomère de base est l’isoprène de formule chimique (C5H8)n.

Il existe une différence entre les élastomères synthétiques et naturels. En effet, si le matériau naturel est de bonne qualité, il renferme diverses substances telles que des protéines, des acides gras et des résines.

Le caoutchouc brut est insoluble dans l'eau, et dans les huiles. Il est soluble dans le benzène, le pétrole, les hydrocarbures chlorés et le sulfure de carbone. Il est facilement oxydé par les oxydants chimiques et lentement par l'oxygène de l'air.

2.  Le génie élastique

La première propriété qui nous vient à l'esprit, lorsqu'on parle d’élastomères, est leur élasticité. Leur grande élasticité se caractérise par la facilité du matériau à se déformer et à reprendre sa dimension initiale lorsque cesse la contrainte. Au sens mécanique du terme, l'énergie absorbée au cours de ces sollicitations mécaniques sont alors dissipées sous forme de chaleur.

Pour des applications plutôt statiques, sa déformabilité est la qualité la plus appréciée du caoutchouc. Bien qu'ils ne soient pas les seuls à offrir une intéressante propriété élastique, ils sont les seuls à offrir une telle capacité de déformation.

2.1  Pourquoi le caoutchouc est si élastique?

Les élastomères sont des polymères. Ces matériaux sont formés de petites molécules attachées les unes aux autres pour former un longue chaîne flexible, appelée macromolécule. Ces longs fils de molécules s'enchevêtrent comme une pelote de laine. En tirant sur l'élastique, on "déroule" la pelote qui s'allonge pendant que l'élastique s'amincit. Lorsqu'on relâche l'élastique, la chaîne s'enroule à nouveau et il reprend sa taille initiale.

Mais attention! Ce matériau, brut, flue avec le temps et plus sa densité pontale est élevée (réseau dense), plus il se raidit.

Le caoutchouc est principalement utilisé à une température supérieure à sa température de transition vitreuse (faible, souvent inférieure à -40°C).Au-dessus de cette température, il est amorphe et seuls des ponts covalents occasionnels assurent une cohésion en jouant le rôle de ressort au sein de la structure.

2.2  La vulcanisation

Pour vulcaniser le caoutchouc, on utilise du souffre que l’on mélange à la matière. A la cuisson, l'énergie est suffisante pour établir des liaisons (ponts) entre le soufre et les chaînes moléculaires. On crée ainsi une cohésion durable de la matière.

Le dosage du soufre est essentiel pour la vulcanisation. Trop de soufre, et le caoutchouc ne sera plus élastique (trop de chaînes polymères seront liées ensemble), pas assez, et la cohésion sera insuffisante.


Vulcanisation du caoutchouc

La vulcanisation est un exemple de réticulation. Après polymérisation, en présence, les macromolécules forment un réseau tridimensionnel sans direction spéciale.

La découverte de la vulcanisation a permis de stabiliser le module de Young sur une plus grande zone de température.

La vulcanisation qui donne au caoutchouc une solidité et une élasticité accrues, ainsi qu'une plus grande résistance aux changements de température. Il n'est pas perméable aux gaz et résiste à l'abrasion, aux réactions chimiques, à la chaleur et à l'électricité; il présente également une résistance élevée au frottement sur des surfaces sèches, et faible sur des surfaces mouillées par l'eau.

3.  Incompressible

Le caoutchouc est dit incompressible. En effet, son coefficient de poisson tend vers 0.5 (et sachant que (différence de volume)/ (Volume initial) = (1- 2x (coefficient de poisson)) x (Différence de longueur) / (longueur initiale), on voit rapidement que le caoutchouc est incompressible)

4.  Étanchéité

La seconde grande caractéristique du caoutchouc est sa bonne étanchéité. Il est, bien évidement, étanche à l'eau, mais aussi aux gaz, et même aux bruits.

5.  Antivibratoire et amortissement

Les élastomères possèdent également la capacité d’amortir les chocs ou de filtrer les vibrations. Il s’agit là de propriétés relativement utilisées au niveau de l'industrie.


Caoutchouc antivibratoire vendu dans l'industrie

6.  Elastomères synthétiques.

C'est un fait certain que les caoutchoucs ne sont pas souvent employés seuls. Il existe un tas d'élastomères spéciaux fabriqués à partir du pétrole. Chacun avec ses propriétés bien distinctes. En voici quelques-uns :

Caoutchouc Buna Le SBR, copolymère du butadiène et du styrène, est très utilisé dans la fabrication des pneus : il a une grande résistance à l'abrasion. Il représente 60% du caoutchouc synthétique produit dans le monde et 37,3% de la production totale de caoutchouc. Le polybutadiène BR est utilisé comme produit de coupage pour les caoutchoucs naturels (10,7% de la production totale).

EPM et EPDM Les copolymères d'éthylène et de propylène (EPM) ont été mis au point par le chimiste italien Guilio Natta dans les années 1950. Ils présentent d'excellentes propriétés élastiques et un faible prix de revient, mais sont difficilement vulcanisables. Aussi n'occupent-ils pas une place prépondérante sur le marché. L'apparition des terpolymères EPDM polymères obtenus par polymérisation de l'éthylène, du propylène avec un diène, facilement vulcanisables, n'a pas encore transformé les habitudes de consommation. Ils représentent 4,3% de la production mondiale de caoutchouc. ''' Caoutchouc butyle ''' Le caoutchouc butyle, préparé pour la première fois en 1940, est obtenu par la copolymérisation de l'isobutène avec le butadiène ou l'isoprène. Il est plastique et peut être mis en forme et mélangé comme le caoutchouc naturel, mais il est difficile de le vulcaniser. Bien qu'il présente une moins grande résistance aux chocs que le caoutchouc naturel ou que d'autres caoutchoucs synthétiques, il est extrêmement résistant à l'oxydation et à l'action des produits chimiques corrosifs. Du fait de sa faible perméabilité aux gaz, il est largement employé dans les chambres à air des pneus de voitures. Il représente 4,2% de la production mondiale de caoutchouc.

Polyisoprène de synthèse (IR) La recherche menée aux États-Unis sur le caoutchouc synthétique à partir de la Seconde Guerre mondiale a débouché sur la synthèse d'un polymère de l'isoprène de composition chimique identique au caoutchouc naturel. Le polyisoprène de synthèse représente 3,1% de la production mondiale de caoutchouc. ''' Néoprène''' Les recherches du chimiste américain Carothers ont conduit à la synthèse du Néoprène en 1931. Il s'agit d'un polymère dont le monomère est le chloroprène, de formule chimique CH2C(Cl) CHCH2. Le Néoprène présente une grande résistance à la chaleur (supérieure à 150!°C) et aux produits chimiques, comme les huiles et le pétrole. Il est utilisé dans les conduites de transport de pétrole, comme matériau isolant dans les câbles et les équipements de machines, et dans les colles. Il représente 3,1% de la production mondiale de caoutchouc.

Caoutchouc nitrile (NBR) Les copolymères de butadiène-acrylonitrile, ou caoutchouc nitrile, sont remarquablement résistants aux solvants, aux huiles et aux graisses.Ils représentent 2,1% de la production mondiale de caoutchouc.

Autres caoutchoucs de spécialités De nombreux autres caoutchoucs synthétiques aux propriétés spécifiques ont été mis au point. Certaines modifications des procédés, y compris de la polymérisation, ont amélioré la qualité et abaissé les coûts de production. Un progrès marquant a consisté à utiliser de l'huile de pétrole comme additif bon marché : les pneus fabriqués avec ce caoutchouc ont une très longue durée de vie. D'autres progrès importants ont été effectués pour la mousse de caoutchouc synthétique, utilisée principalement pour le capitonnage, les matelas, les oreillers et également pour le caoutchouc crêpe cellulaire utilisé dans l'industrie de la chaussure. L'ensemble des caoutchoucs de spécialités représente 1,6% de la production mondiale de caoutchouc.

7.  Bibliographie

  1. Le monde du caoutchouc : ses propriétés
  2. Wikipédia : Elastomère
  3. Article sur le caoutchouc