La polymérisation désigne la réaction chimique ou le procédé par lesquels des petites molécules (par exemple des hydrocarbures de deux à dix atomes de carbone) réagissent entre elles pour former des molécules de masses molaires plus élevées. Les molécules initiales peuvent être des monomères ou des pré-polymères ; la synthèse conduit à des polymères.
En général, en présence de réactifs et de catalyseurs, et sous l'action de la chaleur et de la pression, il se forme des chaînes macromoléculaires constituées de motifs de répétition identiques (homopolymère synthétisé) ou différents (copolymère obtenu), liés de façon covalente.
On obtient des polymères, de masses molaires éventuellement plus élevées :
On distingue les polymères synthétiques comme le polyéthylène, par opposition aux polymères d'origine naturelle tels la cellulose et les artificiels (comme l'acétate de cellulose) qui sont préparés par modification chimique de polymères d'origine naturelle.
En industrie textile, la polymérisation est le processus chimique par lequel des résines ou des plastiques sont fixés à des matières textiles au moyen de la chaleur.
Les réactions de polymérisation peuvent être classées selon deux critères :
Le cas le plus important concerne la polymérisation des monomères vinyliques (CH2=CHR) ou de formule CH2=CR1R2.
Les réactions de polymérisation en chaîne comportent trois étapes successives :
La polymérisation radicalaire et la polymérisation ionique non coordinnée ne sont pas stéréospécifiques.
Réaction d'inhibitionUn inhibiteur (ex. : polyphénols) est une molécule qui se fixe sur les centres actifs en produisant des composés incapables de se fixer sur le monomère. Cette réaction arrête la croissance de la chaîne. Les inhibiteurs sont utilisés durant le transport ou le stockage du monomère pour éviter sa polymérisation. Les inhibiteurs actifs à la température de polymérisation doivent être éliminés (par distillation, lavage) avant de réaliser la polymérisation.
ExemplesDans ce cas, on peut former des dimères, des trimères, etc., qui peuvent réagir entre eux, et les masses molaires croissent progressivement. Pour fabriquer des polymères de degré de polymérisation élevé, il est nécessaire que la réaction soit totale. Deux types de polymérisations par étapes sont à distinguer :
avec :
les molécules réactives A − X m − B {\displaystyle \mathrm {A} -\mathbb {X} _{m}-\mathrm {B} } et A − X n − B {\displaystyle \mathrm {A} -\mathbb {X} _{n}-\mathrm {B} } portant les fonctions antagonistes A {\displaystyle \mathrm {A} } et B {\displaystyle \mathrm {B} } , m {\displaystyle m} et n = 1 , 2 , 3 , … , m {\displaystyle n=1,2,3,\dots ,m} ou n {\displaystyle n} .Exemples :
- polymérisation des diamines primaires et des diacides carboxyliques (molécules bifonctionnelles et bivalentes) qui conduit à des polyamides et à de l'eau :
↑
{\displaystyle \mathrm {\uparrow } }
Le choix des matières premières est très vaste et permet une large variété de combinaisons conduisant à des propriétés et des applications différentes. Les polymères obtenus contiennent souvent des hétéroatomes caténaires (sur la chaîne principale).
Il existe quatre techniques de préparation : la polymérisation peut se faire en masse, en émulsion, en suspension ou en solution. Ces techniques présentent chacune des intérêts et inconvénients propres.
Pour évaluer le degré de polymérisation ou simplement les caractéristiques du (pré)polymère, on utilise des techniques de mesure qui font par exemple appel à la densimétrie (cas des sirops/résines aminoplastes), la viscosimétrie (melt flow index, mesure des masses molaires, du point de gel, etc.), l'osmométrie, la résistance des matériaux (essai de traction…), la DSC et la spectroscopie infrarouge.
Voir aussi Grandeurs caractéristiques d'un polymère.