Voir la source de Polymère

{{2autres| les polymères en [[chimie organique]] et en [[biochimie]]| les polymères en [[chimie minérale]]| Polymère inorganique| les « polymères » comportant un petit nombre d'éléments| Oligomère}}
[[Fichier:SEMexample.jpg|vignette|[[Fibre]]s de [[polyester]] observées par [[microscopie électronique à balayage]].]]
[[Fichier:Turbine aalborg.jpg|vignette|La fabrication d'une [[éolienne]] fait intervenir le [[moulage]] de [[matériau composite|composites]] [[résine (constituant)|résines]]/[[fibre|renforts]].]]

Les '''polymères''' {{prononciation|LL-Q150 (fra)-Fabricio Cardenas (Culex)-polymère.wav}} ([[étymologie]] : du [[grec ancien|grec]] ''polus'', plusieurs, et ''meros'', partie) constituent une classe de [[matériau]]x. D'un point de vue chimique, un polymère est une substance composée de [[macromolécule]]s et issue de molécules de faible masse moléculaire<ref name="glossaires">Voir les définitions du glossaire [[Union internationale de chimie pure et appliquée|IUPAC]] : {{GoldBook|title=polymer|file=P04735}} et {{GoldBook|title=macromolecule (polymer molecule)|file=M03667}}, et leurs adaptations en langue française dans le [[Journal officiel de la République française|JORF]] du {{1er}} mars 2002 : [http://www.educnet.education.fr/rnchimie/recom/terminologie_v2.pdf ''Termes généraux de la chimie''] {{pdf}}.</ref>. Un polymère est caractérisé par le [[degré de polymérisation]]. Les polymères d'origine biochimique sont souvent appelés « fibres ».

Les polymères les plus connus sont :
* les fibres naturelles :
** les [[protéine]]s qui sont des polymères d'acides aminés,
** les acides nucléiques : [[Acide désoxyribonucléique|ADN]] et [[Acide ribonucléique|ARN]] sont des polymères de nucléotides,
** les fibres de polyholoside (glucides) :
*** la [[cellulose]] : [[bois]], [[papier]], textiles naturels ([[chanvre]], [[lin (textile)|lin]], [[coton]]),
*** glucides complexes : amidon, glycogène, et d'autres fibres,
** les fibres protéiques : [[collagène]], que l'on retrouve dans le [[cuir]], la [[kératine]] que l'on retrouve dans la [[laine]]{{etc.}} ;
* les [[matière plastique|matières plastiques]] ;
* les [[Caoutchouc (matériau)|caoutchoucs]] naturels ([[latex (matériau)|latex]]) et [[Caoutchouc synthétique|synthétiques]] ;
* les [[colle]]s ;
* les [[Peinture (matière)|peintures]] ;
* les [[Résine (constituant)|résines]].
Ils sont très utilisés pour les matrices des [[matériau composite|matériaux composites]].

Ils ont les propriétés générales suivantes :
* ce sont des matériaux « légers », ils ont une [[masse volumique]] faible (en général inférieure à {{unité|1500|kg||m|-3}}, soit une [[densité]] par rapport à l'eau inférieure à 1,5) ;
* ils sont en général souples, les polymères [[thermoplastique]]s ont un [[module de Young]] inférieur à environ {{unité|3|GPa}}, comparé à environ {{unité|20|GPa}} pour les bétons, {{unité|70|GPa}} pour l'aluminium et {{unité|200|GPa}} pour l'acier ;
* ils ne sont [[Stabilité moléculaire|stables]] qu'à des températures modérées. La plupart des polymères thermoplastiques se ramollissent ou fondent à des températures comprises entre {{tmp|100|°C}} et {{tmp|250|°C}} ; un polymère est dit « [[Thermostabilité|thermostable]] » s'il résiste à {{tmp|300|°C}} durant quelques instants, la plupart des polymères [[Dégradation d'un polymère|se dégradent]] à des températures supérieures ;
* ce sont des isolants [[Isolant électrique|électriques]] et [[Isolant thermique|thermiques]], sauf cas particuliers.
Les propriétés sont déterminées par :
* la nature chimique des macromolécules, et en particulier des liaisons qui peuvent s'établir entre les atomes de la chaîne et des chaînes voisines ; les liaisons interatomiques peuvent être souples ou rigides, faibles ou fortes ;
* la « forme » de la macromolécule : il peut s'agir d'une chaîne linéaire longue ou courte, ou bien d'une structure ramifiée, réticulée. Les macromolécules peuvent se placer au hasard ou bien sont alignées. Elles peuvent s'imbriquer pour former des [[cristallite]]s ;
* la [[formulation]] (nature, taux des ingrédients) : outre les macromolécules, on introduit divers constituants ([[Charge (substance)|charge]] éventuellement renforçante, [[Plastifiant pour matière plastique|plastifiant]], [[antioxydant]], durcisseur, système de [[vulcanisation]] pour un [[élastomère]], agent anti-ozonant, [[Ignifugation|ignifugeant]], [[colorant]], [[Déshydratation (chimie)|déshydratant]], agent de [[Mise en forme d'un matériau|mise en œuvre]], conducteur électrique{{etc.}}).

Les polymères de synthèse sont devenus l'élément essentiel d'un nombre très important d'objets de la vie courante, dans lesquels ils ont souvent remplacé les substances naturelles. Ils sont présents dans de nombreux domaines industriels. Un domaine émergent important se concentre désormais sur les [[Polymère supramoléculaire|polymères supramoléculaires]] formés par des liaisons non-covalentes.

Il existe une corrélation étroite entre le [[produit national brut]] (PNB) d'un pays et sa consommation de polymères<ref>Jean-Pierre Mercier, Gérald Zambelli, Wilfried Kurz, [https://books.google.be/books?id=Zb511Tf1myAC&printsec=frontcover&hl=fr&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false « Introduction à la science des matériaux »], PPUR, {{3e}}{{éd.}}, 1999</ref>.

== Historique ==
Les polymères naturels ont été parmi les premiers matériaux utilisés par l'Homme : bois et fibres végétales, cuir, tendons d'animaux, laine{{etc.}}

La notion de macromolécule n'est apparue que tardivement dans l'[[histoire de la chimie]]. Bien que présagée par [[Wilhelm Eduard Weber]] ou encore [[Henri Braconnot]] au début du {{XIXe siècle}}, de nombreux chercheurs ne voient là que des agrégats ou micelles. Le terme « polymère » est utilisé pour la première fois en [[1866 en science|1866]] par [[Marcellin Berthelot]]<ref>{{Lien web|langue =fr|format=pdf|auteur=Service de Sciences des Polymères|titre = Printemps des Sciences 2010 - Les polymères - Université libre de Bruxelles|url = http://inforsciences8.ulb.ac.be/videos/pds2010/files/expo/sciences/chimie/polymere1.pdf|site = inforsciences8.ulb.ac.be|mois = mars|année=2010|consulté le = 3 novembre 2015}}</ref>. La [[Vulcanisation|vulcanisation du caoutchouc]] en 1844 et la production de la [[Bakélite]] en 1910 figurent parmi les premières applications industrielles. Mais il faut attendre les années [[Années 1920|1920]]-[[Années 1930|1930]] pour que l'idée de macromolécule soit acceptée, notamment grâce aux travaux d'[[Hermann Staudinger]].

Le développement industriel consécutif de la science macromoléculaire a été accéléré ensuite par la [[Seconde Guerre mondiale]]. Les [[États-Unis]] ont été privés lors de leur entrée en guerre de leur approvisionnement en [[caoutchouc (matériau)|caoutchouc]] naturel en provenance d'[[Asie du Sud-Est]]. Ils ont alors lancé un immense programme de recherche visant à trouver des substituts de synthèse.

== Procédés de mise en œuvre ==
Pour répondre à toutes les exigences en matière de formes et de cadences, plusieurs méthodes de [[mise en forme d'un matériau|mise en forme des matériaux]] polymères ont été développées, dont :
* [[Extrusion d'un plastique|extrusion]] au moyen d'une [[Filière (fabrication)|filière]] : procédé continu pour fabriquer des profilés complexes, plaques, feuilles, films{{etc.}}, cadence de production élevée ; une variante est la coextrusion ;
* [[Extrusion d'un plastique#Filage|filage]] : souvent à partir du polymère à l'état fondu ; obtention de [[Fibre textile|fibres textiles]] (marques [[Polytéréphtalate d'éthylène|Tergal]], [[:sv:Terylen|Térylène]] {{sv}}, [[Dacron]], [[nylon]]<ref name="OQLF">{{lien web|auteur=[[Office québécois de la langue française|OQLF]]|url=http://bdl.oqlf.gouv.qc.ca/bdl/gabarit_bdl.asp?id=1275|titre=La typographie - Marques de commerce|année=2002}}</ref>, [[Polyamide 11|Rilsan]], [[Polyacrylonitrile|Orlon]], [[Élasthanne|lycra]]<ref name="OQLF" />, [[Tyvek]], [[Polyéthylène de masse molaire très élevée|Dyneema]], [[Kevlar]]{{etc.}}) ;
* [[Injection d'un plastique|injection]] : grande variété de pièces, bonne précision et bon aspect de surface, cadence élevée (éléments d'appareils ménagers, engrenages, pompes{{etc.}}) ;
* [[moulage par soufflage]] : procédé discontinu pour fabriquer des corps creux ([[Bouteille en plastique|bouteilles]], flacons{{etc.}}) ;
** [[extrusion-soufflage]],
** [[étirage-soufflage]] ;
* [[extrusion-gonflage]] : élaboration de films, [[Sac plastique|sacs]]{{etc.}}, à la différence de l'extrusion-soufflage, ce procédé n'utilise pas de moule ;
* [[rotomoulage]] : pièce fermée, pouvant être de très grandes dimensions (citernes, jouets, ballons{{etc.}}) ;
* [[thermoformage]] : convient très bien pour des pièces de grande surface et de faible épaisseur (emballages, pièces pour l'automobile et le bâtiment, baignoires{{etc.}}) ;
* [[moulage]] par [[Moulage par compression|compression]] ou par [[Moulage par compression-transfert|compression-transfert]] : procédés applicables aux [[Résine (constituant)|résines]] [[thermodurcissable]]s prépolymérisées (partiellement polymérisées) ([[phénoplaste]]s, [[aminoplaste]]s, [[polyester]]s [[Composé insaturé|insaturés]]{{etc.}}).

Concernant les [[Matériau composite|plastiques renforcés]], une quinzaine de procédés de mise en œuvre est de nos jours disponible ([[pultrusion]]…).

=== Galerie ===
<gallery>
Plastic tubing.jpg|Tubes en [[Polychlorure de vinyle|PVC]] [[Extrusion d'un plastique|extrudé]].
Piece plastique moulee par injection01.jpg|Pièce en [[matière plastique]] [[moulage par injection|moulée par injection]].
Dacron Reels.jpeg|Bobines de [[Fibre synthétique|fibres]] en [[Dacron]].
Flexible tank for fire protection.jpg|[[Citerne souple]] de [[Lutte contre l'incendie|défense incendie]] en tissu [[polyester]] [[enduction|enduit]] PVC.
PneuMacro.jpg|Un pneu, issu d’[[élastomère]]s et de fibres synthétiques.
</gallery>

== Exemples ==
=== Polymères naturels ===
* [[Polysaccharide]]s : [[cellulose]] et [[hémicellulose]]s ([[bois]], [[Fibre végétale|fibres végétales]]), [[amylose]] et [[amylopectine]] ([[amidon]]), [[glycogène]], [[pullulane]], [[chitine]] ([[cuticule]] d'[[arthropode]]s et paroi d'[[Eumycota|eumycètes]]), [[mannane]]s, [[galactane]]s, [[fructane]]s{{etc.}}
* [[Glycosaminoglycane]]s
* [[Lignine]] (bois)
* [[Acide nucléique|Acides nucléiques]] : [[Acide désoxyribonucléique|ADN]] et [[Acide ribonucléique|ARN]]
* [[Protéine fibreuse|Scléroprotéines]] : [[kératine]]s ([[phanère]]s), [[collagène]]s, [[élastine]]s, [[conchyoline]], [[soie]]{{etc.}}
* Poly[[Terpénoïde|isoprénoïdes]] ([[Caoutchouc (matériau)|caoutchouc]] naturel)
* [[Polyhydroxyalkanoate]]s

=== Polymères artificiels ===
* Cellulosiques : [[acétate de cellulose]] (CA), [[nitrocellulose]]

=== Polymères synthétiques ===
[[Fichier:Some important polymers.png|vignette|Formule de quelques grands polymères industriels<ref>Le PA-6 (poly[[caprolactame]]) appartient à la famille des polymères [[thermoplastique]]s techniques (ceux-ci possèdent des caractéristiques mécaniques élevées et sont très onéreux).</ref>.]]
* [[Polyoléfine]]s, dont les polymères de grande consommation [[polyéthylène]] (PE) et [[polypropylène]] (PP). Ce dernier est un polymère de synthèse très important<ref>{{Ouvrage |langue=en |prénom1=Charles E. |nom1=Wilkes |prénom2=James W. |nom2=Summers |prénom3=Charles Anthony |nom3=Daniels |titre=PVC Handbook |lieu=Munich |éditeur=[[Carl Hanser Verlag|Hanser Verlag]] |année=2005 |pages totales=723 |passage=14 |isbn=1-56990-379-4 |lire en ligne=https://books.google.fr/books?id=YUkJNI9QYsUC&pg=PA14}}</ref>.
* [[Vinyle|Vinyliques]] : polymère de grande consommation [[Polychlorure de vinyle|poly(chlorure de vinyle)]] (PVC), [[Polychlorure de vinyle surchloré|poly(chlorure de vinyle) surchloré]] (PVC-C) ([[chloropolymère]]s), etc. ; [[Polyacétate de vinyle|poly(acétate de vinyle)]] (PVAC) ; [[alcool polyvinylique]] (PVAL)
* [[Polymère styrénique|Styréniques]] : polymères de grande consommation ;
* [[Polyester]]s saturés : [[Polytéréphtalate d'éthylène|poly(téréphtalate d'éthylène)]] (PET) ; [[Polytéréphtalate de butylène|poly(téréphtalate de butylène)]] (PBT) ; [[Polynaphtalate d'éthylène|poly(naphtalate d'éthylène)]] (PEN) ou [[Composé insaturé|insaturés]] (UP)
* [[Polyamide]]s (PA) : PA 6, PA 6-6, PA 11, PA 12, PA 4-6{{etc.}}
* [[Polyuréthane]]s (PUR) saturés ou réticulés
* [[Polycarbonate]]s (PC)
* Acryliques : [[Polyméthacrylate de méthyle|poly(méthacrylate de méthyle)]] (PMMA) ; [[polyacrylonitrile]] (PAN)
* [[Aminoplaste]]s
* [[Phénoplaste]]s
* Polyacétals : [[polyoxyméthylène]] (POM)…
* [[Silicone]]s (SI)
* [[Polyimide]]s (PI)
* Halogénés
** Chlorés : [[Polychlorure de vinyle|poly(chlorure de vinyle)]] (PVC) ; [[Polychlorure de vinyle surchloré|poly(chlorure de vinyle) surchloré]] (PVC-C) ; [[Polychlorure de vinylidène|poly(chlorure de vinylidène)]] (PVDC)
** [[Fluoropolymère|Fluorés]] : [[polytétrafluoroéthylène]] ([[Polytétrafluoroéthylène|PTFE]]), plus connu sous le nom de [[Téflon]] ; [[polyfluorure de vinyle]] (PVF) ; [[polyfluorure de vinylidène]] ([[PVDF]]) ; [[éthylène tétrafluoroéthylène]] (ETFE) ; [[perfluoroalkoxy]] (PFA)
* [[Polydiméthylsiloxane]] (PDMS)
* [[Époxyde]]s (EP)
* [[Thermostabilité|Thermostables]] : [[polyétheréthercétone]] (PEEK) ; [[polymère à cristaux liquides]] (LCP)
* [[Élastomère]]s
* [[Élastomère thermoplastique|Élastomères thermoplastiques]] (TPE) : [[copolymère]]s séquencés<ref>À la différence des copolymères homogènes (statistiques ou alternés), les polymères séquencés (polymères ''blocs'') présentent deux [[Température de transition vitreuse|températures de transition vitreuse]], identiques à celles mesurées sur les [[homopolymère]]s correspondants.</ref> [[styrène]]-[[Buta-1,3-diène|butadiène]]-[[styrène]] (SBS), polyuréthanes thermoplastiques (TPU){{etc.}}
* [[Polymère électroactif|Polymères électroactifs]] (PEA)

=== Mélanges polymère-polymère ===
{{Article détaillé|Mélange de polymères}}
Les mélanges polymère-polymère thermoplastiques (en anglais, ''poly[[wikt:blend|blend]]'' ; « alliage » est un terme impropre) sont des mélanges mécaniques intimes de deux (ou plusieurs) polymères différents et compatibles. À la différence des copolymères, il ne se forme pas de [[liaison chimique]]. Exemples :
* [[Liste des codes des polymères|PPO]]/[[polystyrène|PS]] : le PS apporte la facilité de mise en œuvre et réduit le coût. Voir [[Noryl]] ;
* [[Polypropylène|PP]]/[[EPDM]] : élastomère thermoplastique ; l'EPDM apporte la [[Résilience (physique)|tenue aux chocs]] à froid ;
* [[Polycarbonate|PC]]/[[acrylonitrile butadiène styrène|ABS]] : amélioration de la [[Raideur (mécanique)|rigidité]], de la tenue aux chocs et au feu (marques Bayblend, Pulse, Anjablend A).

== Notion de macromolécule ==
[[Fichier:Anabolism and Catabolism.png|vignette|Catabolisme des nutriments en monomères dans la cellule. Anabolisme des monomères en macromolécules utilisées par la cellule.]]
Un polymère [[trois dimensions|tridimensionnel]] est constitué d'une seule macromolécule qui se développe dans les trois directions de l'espace<ref>[[Bulletin de l'union des physiciens]], {{N°}}790-791 (consacré aux matériaux), janvier - février 1997, § ''Macromolécules ou polymères tridimensionnels'', {{p.}}94, [http://udppc.asso.fr/bupdoc/consultation/article-bup.php?ID_fiche=6182 Voir l'article] {{pdf}}.</ref> ; cette macromolécule tridimensionnelle atteint des dimensions [[propriété macroscopique|macroscopiques]] ({{ex}} un [[phénoplaste]]).

Une macromolécule est une molécule de [[masse moléculaire]] élevée, généralement constituée par la ''répétition'' d'atomes ou de groupes d'atomes, appelés ''[[Motif de répétition|unités constitutives]]'' et dérivant, de fait ou conceptuellement<ref>{{1er|exemple}} : l'[[alcool polyvinylique]], de formule -(CH<sub>2</sub>CHOH)<sub>''n''</sub>-, n'est pas obtenu par [[polymérisation]] de l'[[énol]] de formule H<sub>2</sub>C=CHOH ([[éthénol]]), qui est instable ; la molécule d'éthénol est la molécule [[monomère]] conceptuelle, mais pas réelle ; cf. ''Traité des Matériaux'', {{Vol.}}13, Chimie des polymères, J.-P. Mercier, E. Maréchal, [[Presses polytechniques et universitaires romandes|PPUR]], 1996 {{ISBN|978-2-88074-240-9}} {{p.}}382, 383 (E. Maréchal a contribué à la préparation du [[Union internationale de chimie pure et appliquée|IUPAC]] : [http://www.gfp.asso.fr/ressources-documentaires/glossaire ''Glossaire des termes de base en science des polymères (Recommandations 1996)'']).<br />
{{2e|exemple}}, choisi parmi les composés [[inorganique]]s : dans le cas des [[silicone]]s (composés macromoléculaires ou [[oligomère]]s) de formule générale -(R<sub>2</sub>SiO)<sub>''n''</sub>-, les molécules monomères conceptuelles R<sub>2</sub>Si=O n'existent pas (elles n'ont jamais pu être isolées) ; source : ''Chimie inorganique'', Huheey. Keiter & Keiter, [[De Boeck Université]], 1996, {{p.}}749 {{ISBN|978-2-8041-2112-9}} ; voir le titre « ''Fabrication'' » dans l'article « [[Silicone]] ».<br />
{{3e|exemple}} : un certain nombre de polymères sont obtenus par réaction entre deux monomères poly[[groupe fonctionnel|fonctionnels]], par exemple l'[[hexaméthylènediamine]] H<sub>2</sub>N-(CH<sub>2</sub>)<sub>6</sub>-NH<sub>2</sub> et l'[[acide adipique]] HOOC-(CH<sub>2</sub>)<sub>4</sub>-COOH. La réaction s'effectue [[polymérisation par étapes|par étapes]] ; la première étape conduit à un [[dimère]] de formule H<sub>2</sub>N-(CH<sub>2</sub>)<sub>6</sub>-NH-CO-(CH<sub>2</sub>)<sub>4</sub>-COOH (>N-CO- est le groupe caractéristique des [[amide]]s), selon l'équation :
: H<sub>2</sub>N-(CH<sub>2</sub>)<sub>6</sub>-NH<sub>2</sub> + HOOC-(CH<sub>2</sub>)<sub>4</sub>-COOH → H<sub>2</sub>N-(CH<sub>2</sub>)<sub>6</sub>-NH-CO-(CH<sub>2</sub>)<sub>4</sub>-COOH + H<sub>2</sub>O.
Ce dimère, qui porte une fonction [[amine (chimie)|amine primaire]] -NH<sub>2</sub> à une extrémité et une fonction [[acide carboxylique]] -COOH à l'autre, peut être vu comme un ''monomère implicite'', dont la polymérisation conduit au [[polyamide]] 6-6.</ref>, de molécules de faible masse moléculaire<ref name="glossaires"/>.

Dans de nombreux cas, une molécule peut être considérée comme ayant une masse moléculaire élevée lorsque l'addition ou la suppression d'une ou de quelques [[Motif de répétition|unités]] n'a qu'un effet négligeable sur les propriétés moléculaires<ref name="glossaires"/>.

En fait, il n'existe que très peu d'exemples de [[macromolécule]]s qui ne soient obtenues par la ''répétition'' d'une unité structurale<ref>Une ''unité constitutive de répétition'' est la plus petite unité constitutive dont la répétition constitue une macromolécule régulière ; pour plus de détails, voir les définitions 1.4, 1.8, 1.14 et 1.15 dans le [[Union internationale de chimie pure et appliquée|IUPAC]] : [http://www.gfp.asso.fr/ressources-documentaires/glossaire ''Glossaire des termes de base en science des polymères (Recommandations 1996)'']. Dans la version en anglais, on utilise l'abréviation CRU pour désigner cette unité structurale (voir la {{en}} [http://old.iupac.org/reports/1996/6812jenkins/molecules.html#1.15 version originale] du glossaire) ; en français, sa traduction UCR ne semble utilisée que pour désigner l'« unité constitutive répétitive » des polymères tridimensionnels (voir par exemple [http://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/archives-th12/archives-techniques-d-analyse-tiata/analyse-physico-chimique-des-polymeres-p3760/echelle-moleculaire-p3760niv10001.html ''Analyse physico-chimique des polymères'']).</ref>. On les trouve plutôt dans le domaine des macromolécules naturelles, certaines [[protéine]]s notamment<ref>Phrases extraites de l'ouvrage : ''Chimie Organique - Une initiation'', J.-P. Mercier, P. Godard, [[Presses polytechniques et universitaires romandes|PPUR]], 1995 {{ISBN|978-2-88074-293-5}} {{p.}}237</ref>.

Le terme ''polymère'' a encore actuellement plusieurs définitions selon le point de vue qu'on adopte. On peut encore trouver les [[oligomère]]s (qui ne sont pas constitués de macromolécules) inclus dans la famille des polymères<ref>Voir par exemple ce cours de Faculté de médecine : [http://www.chups.jussieu.fr/polys/biochimie/SFbioch/POLY.Chp.1.2.html « Structures fonctions »] (2002 - 2003)</ref>. Auparavant, et encore récemment, les ''polymères proprement dits'' (au sens actuel du terme) étaient aussi appelés « hauts polymères »<ref>{{Citation|La [[polymérisation]] consiste en la réunion les unes aux autres des molécules d'un composé simple, appelé le [[monomère]], pour donner, sans aucune élimination, un composé de poids (sic) moléculaire plus élevé (multiple entier de celui du monomère), appelé ''polymère''. Le nombre de molécules de monomères soudées les unes aux autres peut être très grand (plusieurs centaines, et même plusieurs milliers) ; on parle alors de ''haut polymère''}} ; phrases extraites de l'ouvrage : « Cours de chimie organique », P. Arnaud, Gauthier-Villars, 1966, {{p.}}288.

Ou encore : « oligo : préfixe signifiant « peu » et utilisé pour les composés comportant un nombre d'''unités répétitives'' intermédiaire entre celui des monomères et des ''hauts polymères'' » ; source : R. Panico {{et al.}}, ''Nomenclature et terminologie en chimie organique - Classes fonctionnelles. Stéréochimie'', [[Éditions techniques de l'ingénieur|Techniques de l'ingénieur]], 1996, {{p.}}66 {{ISBN|2-85-059-001-0}}.</ref>{{,}}<ref>Voir également J. Angenault ''La Chimie : dictionnaire encyclopédique'', Paris, Dunod, 1995 {{ISBN|2-10-002-497-3}} ; consulter notamment les articles ''cellulose'' et ''polymérisation (degré de)''.</ref>. On peut noter que l'expression « [[degré de polymérisation]] » est toujours utilisée pour désigner le nombre d'[[Motif de répétition|unités monomères]] aussi bien d'une [[macromolécule]] que d'une molécule [[oligomère]]<ref>Glossaire [[Union internationale de chimie pure et appliquée|IUPAC]] : {{GoldBook|title=degree of polymerization|file=D01569}}</ref>.

Un polymère est [[chimie organique|organique]] (le plus souvent) ou [[polymère inorganique|inorganique]]. Il est constitué par la répétition d'un grand nombre de [[Motif de répétition|motifs monomères]] [[Homopolymère|identiques]] ou [[Copolymère|différents]] liés de façon [[liaison covalente|covalente]].

Un polymère peut être ''naturel'' ({{ex}} [[polysaccharide]]s, [[Acide désoxyribonucléique|ADN]]) ; ''artificiel'', obtenu par [[Modification chimique des polymères|modification chimique d'un polymère]] naturel ({{ex}} [[acétate de cellulose]], [[méthylcellulose]], [[galalithe]]) ; ou ''[[Synthèse chimique|synthétique]]'', préparé par [[polymérisation]] de molécules monomères ({{ex}} [[polystyrène]], [[polyisoprène synthétique]]).

Les [[polyoléfine]]s, représentées principalement par les polymères [[thermoplastique]]s de grande consommation [[polyéthylène]] et [[polypropylène]], constituent la plus importante famille de polymères.

== Généralités ==
Un polymère peut se présenter sous forme [[liquide]] (plus ou moins [[viscosité|visqueux]]) ou [[État solide|solide]] à température ambiante. À l'état solide, il peut être utilisé comme [[matériau]] moyennant des propriétés mécaniques suffisantes<ref>''Traité des matériaux'', {{vol.}}1, {{3e}}{{éd.}}, ''Introduction à la science des matériaux'', [[Presses polytechniques et universitaires romandes|PPUR]] (1999) {{ISBN|978-2-88074-402-1}} {{p.}}1, 344, 345.</ref>. Un polymère liquide à température ambiante peut être transformé en [[matériau]] s'il est [[réticulation|réticulable]] ; les [[élastomère]]s sont des matériaux obtenus par [[réticulation]] de polymères linéaires liquides à température ambiante.

Les polymères ont un comportement [[Rhéologie des solides#Viscoélasticité|viscoélastique]]. En effet, ils démontrent simultanément des propriétés [[loi de Hooke|élastiques]] et un caractère visqueux.

L'enchaînement des motifs monomères peut se faire de façon linéaire (polymères linéaires), présenter des [[Chaîne latérale|ramifications]] aléatoires (polymères branchés et [[polymère hyperbranché|hyperbranchés]]) ou systématiques et régulières ([[dendrimère]]s).

Du fait des [[Degré de liberté (physique et chimie)|degrés de liberté]] de la [[Conformérie|conformation]] (disposition dans l'espace) de chaque motif monomère, la conformation du polymère résulte de cet enchaînement mais également des interactions entre motifs.

Les polymères fabriqués à partir d'un seul type de [[monomère]] sont désignés par ''[[homopolymère]]'' ({{ex}} polyéthylène, polystyrène). Dès qu'au moins deux types de monomère participent à la formation des macromolécules, on parlera de ''[[copolymère]]s'' (cas du [[styrène-butadiène]]). La variété des copolymères est très importante. Ces matériaux possèdent des propriétés physico-chimiques et mécaniques intermédiaires avec celles obtenues sur les homopolymères correspondants.

On distingue deux grandes catégories de réactions chimiques permettant la préparation des polymères : la [[Polymérisation#Polymérisation en chaîne|polymérisation en chaîne]] ou [[polymérisation en chaîne|polyaddition]] (pour produire par exemple le polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène) et la [[Polymérisation#Polymérisation par étapes|polymérisation par étapes]] ou [[polymérisation par étapes|polycondensation]] (pour synthétiser par exemple le [[Polytéréphtalate d'éthylène|poly(téréphtalate d'éthylène)]], de sigle PET).

Le terme « polymère » désigne des matières abondantes et variées : des [[protéine]]s les plus ténues aux fibres de [[Kevlar]] haute résistance. Certains polymères sont utilisés en [[Polymère en solution|solution]] par exemple dans les [[shampooing]]s ; d'autres forment des matériaux solides.

Pour ces applications, les polymères sont généralement mélangés à d'autres substances – charges telles la [[craie]] (matière très bon marché), plastifiants, [[additif]]s tels les antioxydants{{etc.}} – dans des opérations de formulation. La fabrication des objets finis résulte la plupart du temps d'une opération de [[Procédé industriel|mise en œuvre]] qui relève souvent du domaine de la [[plasturgie]].

== Classification ==
[[Fichier:Polymers.gif|vignette|Types de polymères.]]
{{Article détaillé|Classification des polymères}}
Les polymères sont souvent classés d'après leurs propriétés thermomécaniques. On distingue :
* les polymères [[thermoplastique]]s, qui deviennent malléables quand ils sont chauffés, ce qui permet leur [[mise en forme d'un matériau|mise en forme]] ;
* les [[élastomère]]s, qui sont déformables de manière réversible ;
* les [[Élastomère thermoplastique|élastomères thermoplastiques]] (TPE) ;
* les polymères [[thermodurcissable]]s, qui durcissent de façon irréversible, le plus souvent sous l'action de la chaleur en présence de réactifs.

La description des polymères en tant qu'objet physique permettant de comprendre leurs propriétés relève de la [[physique statistique]].

== Structure et conformation ==
=== Séquence primaire ===
Les polymères sont des substances composées de macromolécules constituées par la répétition de motifs identiques ou différents les uns des autres. La [[masse molaire]] de ces molécules dépasse souvent {{unité|10000|g/mol}}. Les [[liaisons covalentes]] constituant le squelette macromoléculaire sont le plus souvent des [[liaison carbone-carbone|liaisons carbone-carbone]] (cas du polyéthylène, du polypropylène{{etc.}}), mais peuvent également résulter de la liaison d'atomes de carbone avec d'autres atomes, notamment l'oxygène (cas des [[polyéther]]s et des [[polyester]]s) ou l'azote (cas des [[polyamide]]s). Il existe aussi des polymères pour lesquels l'enchaînement résulte de liaisons ne comportant pas d'atomes de carbone ([[polysilane]]s, [[Silicone|polysiloxanes]]{{etc.}}).

Cet enchaînement de motifs répétés présente chez les polymères les plus simples une structure linéaire, un peu comme un collier de perles. On peut également rencontrer des [[Chaîne latérale|chaînes latérales]] (elles-mêmes plus ou moins branchées), résultant soit d'une [[réaction parasite]] au cours de la synthèse du polymère (par exemple dans le cas du [[polyéthylène basse densité]] ou PEBD), soit d'une réaction de greffage pratiquée volontairement sur le polymère pour en modifier les propriétés physico-chimiques.

Dans le cas où la macromolécule est composée de la répétition d'un seul motif – ce qui résulte le plus souvent de la polymérisation d'un seul type de monomère –, on parle d'''homopolymères''. Si au moins deux motifs différents sont répétés, on parle de ''copolymères''. Voir aussi [[Terpolymère]].

On distingue ensuite plusieurs types de copolymères suivant la manière dont les motifs monomères sont répartis dans les chaînes moléculaires :
* dans le cas le plus fréquent, on a un ''copolymère statistique'', où les différents motifs monomères se mélangent en fonction de la réactivité et de la concentration de ceux-ci. Les propriétés mécaniques sont alors moyennées ;
* en revanche, dans un ''copolymère séquencé'' (l'anglicisme ''copolymère à blocs'' est parfois utilisé) ou un ''copolymère alterné'', il peut y avoir combinaison des propriétés mécaniques.

[[Fichier:differents copolymeres.png|centre]]

Il existe parfois des liaisons covalentes vers d'autres parties de chaînes polymères. On parle alors de ''[[polymère ramifié|molécules « branchées » ou ramifiées]]''. On sait synthétiser par exemple des molécules en ''peigne'' ou en ''étoile''. Lorsque de nombreuses chaînes ou chaînons ont été réunis par un certain nombre de liaisons covalentes, ils ne forment plus qu'une macromolécule gigantesque ; on parle alors de ''réseau macromoléculaire'' ou de ''gel''.

=== Cohésion ===
Les forces qui assurent la [[Cohésion (physique)|cohésion]] de ces systèmes sont de plusieurs types : [[Force de van der Waals|interactions de van der Waals]] ou [[liaison hydrogène|liaisons hydrogène]]. Leur intensité est respectivement de 2 à {{unité|16|kJ||mol|-1}}, et {{unité|40|kJ||mol|-1}}. Il existe également des interactions liées aux charges.

La densité d'énergie cohésive (valeurs tabulées) permet d'avoir une idée de la cohésion des polymères.

=== Polymères linéaires ===
Lors de la réaction de polymérisation, lorsque chaque unité monomère est susceptible de se lier à deux autres, la réaction produit une chaîne linéaire. Typiquement, ce cas est celui des polymères ''thermoplastiques''.

Du fait des degrés de liberté de la [[conformérie|conformation]] de chaque unité monomère, la façon dont la chaîne occupe l'espace n'est cependant pas rectiligne.

==== Notion de maillon statistique ====
Chaque unité monomère présente une certaine rigidité. Souvent, cette rigidité influence l'orientation de l'unité monomère voisine. Toutefois, cette influence s'estompe au fur et à mesure que l'on s'éloigne de l'unité monomère initiale et finit par disparaître au-delà d'une distance <math>l_0</math>, dite « longueur d'un maillon statistique de la chaîne ». Techniquement, cette longueur est la longueur de [[corrélation (statistiques)|corrélation]] de l'orientation d'un maillon. Elle se nomme [[longueur de persistance]] du polymère.

Ayant introduit cette notion, il est alors possible de [[Renormalisation|renormaliser]] la chaîne en considérant maintenant le maillon statistique comme son motif élémentaire. Pour décrire la conformation de cette chaîne, les particularités propres à la structure chimique du motif monomère n'interviennent plus.

==== Chaîne idéale (ou gaussienne) ====
Le cas le plus simple est celui de l'enchaînement linéaire de maillons n'exerçant pas d'interaction entre eux. À l'état liquide, la chaîne adopte dans l'espace une conformation qui pour une molécule donnée change sans cesse du fait de l'[[Énergie thermique|agitation thermique]]. À l'état de solide [[Matière amorphe|amorphe]] ou à un instant donné dans le cas d'un liquide, la conformation des chaînes est différente d'une molécule à l'autre. Cette conformation obéit néanmoins à des lois statistiques.

Soit dans la séquence primaire de la chaîne un maillon donné pris pour origine. Lorsque les maillons n'interagissent pas, la probabilité que le <math>n^\text{ième}</math> maillon de la chaîne soit à une distance <math>r</math> de l'origine obéit à une [[loi normale]] ou loi Gaussienne de moyenne nulle et de [[Variance (statistiques)|variance]] <math>n</math>. Une longueur caractéristique de la chaîne est la distance <math>R</math> entre ses deux extrémités (dite « distance bout-à-bout »). La moyenne [[Moyenne arithmétique|arithmétique]] de <math>R</math> est nulle. Ainsi, pour caractériser la taille de la [[Pelote aléatoire|pelote]] que forme la chaîne, il faut considérer la [[moyenne quadratique]], notée ici <math>\mathcal{R}=<R^2>^{1/2}</math>. En raison de la loi normale, cette moyenne varie comme la racine carrée du nombre <math>N</math> de maillons.

:<math>\mathcal{R} = l_0 \cdot N^{\nu} \quad\textrm{avec}\quad \nu=\frac{1}{2}</math>

La conformation statistique d'une telle chaîne est l'analogue de la trace laissée par un [[Marche aléatoire|marcheur aléatoire]] où <math>N</math> représente le nombre de pas de la marche, <math>l_0</math> leur longueur et <math>\mathcal{R}^2</math> le déplacement carré moyen du marcheur.

Dans les années 1970, [[Pierre-Gilles de Gennes]] a montré l'analogie entre la description d'une chaîne polymère et les phénomènes critiques. Aussi, l'utilisation de la lettre <math>\nu</math> pour désigner l'exposant, obéit à la nomenclature des [[Transition de phase#Exposants critiques et classes d'universalité|exposants critiques]]. Les objets rencontrés dans les phénomènes critiques ont des propriétés d'[[autosimilarité]] et peuvent être décrits en termes de géométrie des [[fractale]]s, dans ce cas l'exposant <math>\nu</math> représente l'inverse de la [[Fractal#Dimension fractale|dimension fractale]] <math>d_f</math>.

:<math>d_f = \frac{1}{ \nu}</math>.

Une conformation gaussienne des chaînes se rencontrent dans deux cas :
# Lorsque les chaînes sont nombreuses et entremêlées (analogie avec un plat de [[spaghetti]]). Un maillon donné est alors entouré indifféremment par les maillons de la chaîne à laquelle il appartient et par les maillons des chaînes voisines. Les interactions des uns et des autres avec ce maillon se compensent exactement ;
# Lorsqu'une chaîne est seule à une température particulière appelée température -<math>\theta</math> à laquelle les [[Force de van der Waals|forces attractives de van der Waals]] entre deux maillons sont exactement compensées par les forces répulsives dites de « volume exclu » (cette force répulsive provient du fait que deux maillons ne peuvent physiquement être en même temps au même endroit).

==== Chaîne gonflée (ou à « volume exclu ») ====
Lorsque les interactions répulsives entre maillons d'une même chaîne dominent (typiquement à température plus haute que la température -<math>\theta</math>), la conformation de la chaîne s'en trouve « gonflée » par rapport à sa conformation idéale. Dans ce cas, la valeur de l'exposant <math>\nu</math> et la taille caractéristique de la pelote que forme la chaîne sont supérieures à celle d'une chaîne idéale.

:<math>\nu\simeq \frac{3}{5}</math>.

La valeur approchée de cet exposant fut établie par [[Paul J. Flory|Paul Flory]] dans les années 1940. Bien qu'il ait été démontré depuis que le raisonnement utilisé à l'époque était erroné, la valeur <math>3/5</math> est étonnamment proche de la valeur exacte <math>\nu\simeq 0,588</math> trouvée depuis par les méthodes beaucoup plus sophistiquées du [[groupe de renormalisation]].

En termes de marche aléatoire, une chaîne gonflée correspond à la trace laissée par un marcheur effectuant une [[Chemin auto-évitant|marche aléatoire autoévitante]].

==== Chaîne globulaire ====
Lorsque les interactions attractives entre maillons d'une même chaîne dominent (typiquement à température plus basse que la température -<math>\theta</math>), la chaîne s'effondre sur elle-même et adopte une conformation compacte dite « globulaire » (à opposer au terme « pelote » utilisé pour les conformations idéale ou gonflée). Dans ce cas :

:<math>\nu= \frac{1}{3}</math>.

Le terme « conformation compacte » se comprend mieux en écrivant la relation « taille caractéristique-nombre de maillons » sous la forme <math>\mathcal{R}^3\propto N</math>, qui exprime que le volume du globule est proportionnel au nombre de maillons. Ce comportement est celui d'un objet homogène dont la [[masse volumique]] est une constante indépendante de sa taille.

==== Polymères en solution ====
Implicitement nous avons considéré jusqu'ici une chaîne seule dont les maillons seraient comme les molécules d'un gaz. Dans la pratique, les chaînes sont soit en présence de leurs semblables, très proches les unes des autres et entremêlées (cas évoqué au paragraphe « chaîne gaussienne »), soit en présence d'un [[solvant]]. Ce dernier cas est celui d'une [[Solution (chimie)|solution]] de polymère.

En solution, la conformation du polymère résulte du bilan des interactions « monomère-monomère », « monomère-solvant » et « solvant-solvant ». Il est possible de rendre compte de ce bilan au moyen d'un paramètre effectif d'interaction, appelé paramètre de [[:en:Flory–Huggins solution theory|Flory-Huggins]] {{en}}. Trois cas sont envisageables :

* bon solvant : le couple polymère-solvant est tel qu'un monomère minimise son [[énergie libre]] lorsqu'il est entouré de molécules de solvant. Les interactions effectives entre maillons de la chaîne sont donc répulsives, favorisant ainsi la dispersion des polymères et leur solubilisation (d'où le terme « bon solvant »). C'est le cas d'un polymère dans un solvant constitué de monomères, par exemple le [[polystyrène]] en solution dans le [[styrène]] ;
* solvant -<math>\theta</math> : le bilan des interactions entre maillons de la chaîne est nul. Ce cas se rencontre à une température précise (température -<math>\theta</math>) qui n'est pas toujours accessible expérimentalement. Lorsque cette température est accessible, le solvant est qualifié de <math>\theta</math>. Par exemple, le [[cyclohexane]] est un solvant -<math>\theta</math> du polystyrène à {{tmp|35|°C}} ;
* mauvais solvant : les interactions effectives entre maillons de la chaîne sont attractives. Dans ce cas, la solubilisation (dispersion) des polymères n'est pas directement réalisable, elle peut se faire à température suffisamment élevée pour que le solvant soit « bon ». En refroidissant, les polymères peuvent se trouver en mauvais solvant mais rester dispersés si la solution est suffisamment diluée. Ce cas peut également se rencontrer pour des polymères séquencés dont l'une des séquences (majoritaire) serait en situation de bon solvant, permettant ainsi la solubilisation et forçant une autre séquence à se trouver en situation de mauvais solvant.

En solution suffisamment diluée, les chaînes sont bien séparées les unes des autres. La conformation d'une chaîne ne dépend alors que du bilan des interactions effectives entre ses propres maillons. En solvant -<math>\theta</math>, la conformation est idéale (<math>\nu=1/2</math>), en bon solvant elle est gonflée (<math>\nu\simeq 3/5</math>) et en mauvais solvant elle est globulaire {{nobr|(<math>\nu=1/3</math>)}}.

=== Polymères branchés et transition sol-gel ===
Certaines molécules ont la propriété de pouvoir se lier aléatoirement à au moins trois autres durant leur réaction de polymérisation. Les polymères qui en résultent ne sont plus linéaires mais branchés et [[Réticulation|réticulés]] et leur taille très largement [[Loi de probabilité|distribuée]]. La moyenne de cette distribution augmente avec l'[[Avancement de réaction|avancement de la réaction]]. L'ensemble de la population des molécules est soluble (on la désigne par le terme ''sol'') jusqu'à ce que la molécule la plus grande soit de taille macroscopique et connecte les deux bords du récipient contenant le bain de réaction. Cette molécule est appelée le ''gel''. Typiquement, ce type de réaction est à la base des [[résine (constituant)|résines]] [[thermodurcissable]]s.

L'[[transition sol-gel|apparition du gel]] confère au bain de réaction, initialement liquide, une [[Déformation élastique|élasticité]] qui est la caractéristique d'un solide. Cette [[transition de phase]] est bien décrite par un modèle de [[Théorie de la percolation|percolation]] (conjecture émise en 1976 de façon indépendante par [[Pierre-Gilles de Gennes]] et [[:de:Dietrich Stauffer|Dietrich Stauffer]] {{de}} et bien vérifiée expérimentalement depuis) qui prévoit la forme de la [[Loi de probabilité|fonction de distribution]], <math>p(N)</math>, du {{Pas clair|1=nombre de monomères de chaque molécule|2=ne veut rien dire}} et la façon dont elles occupent l'espace. Jusqu'à la molécule la plus grande, <math>p(N)</math> est une [[loi de puissance]] du type :

:<math>p(N) \propto N^{-\tau}\quad\textrm{avec}\quad\tau=2,20</math>.

Une taille caractéristique, <math>\mathcal{R}</math>, de chaque molécule peut être définie par la moyenne quadratique des distances entre monomères{{refnec}}, on parle de rayon de giration. La relation entre cette longueur et le nombre de monomères est également une loi de puissance :

:<math>N \propto \mathcal{R}^{d_f} \quad\textrm{avec}\quad d_f=2,50</math>

où <math>d_f</math> est la dimension [[fractale]] des molécules. Les valeurs particulières de ces exposants font qu'ils obéissent à la relation dite d'hyperéchelle reliant les exposants critiques à la dimension de l'espace <math>d</math>.

:<math>d/d_f=\tau-1</math>

L'implication majeure de cette relation est que les polymères branchés occupent l'espace à la façon des [[Poupée russe|poupées russes]], les petits à l'intérieur du volume occupé par les plus grands.

=== Aspects expérimentaux ===
==== Diffusion de rayonnement ====
Les caractéristiques structurales des polymères sont accessibles expérimentalement par des expériences de [[diffusion élastique de rayonnement]] : diffusion de la lumière, diffusion aux petits angles des [[Diffusion des rayons X aux petits angles|rayons X]] et des [[Diffusion de neutrons aux petits angles|neutrons]].

Ces expériences consistent à éclairer un [[Échantillon (matière)|échantillon]] par une [[onde plane]], [[monochromatique]], de [[vecteur d'onde]] <math>\mathbf{k_i}</math>. Une partie de cette onde est déviée par les atomes constituants l'échantillon. Les ondes ainsi diffusées produisent des [[interférence]]s dont l'analyse peut fournir des renseignements sur certaines caractéristiques de l'échantillon.

L'intensité totale, <math>I</math>, de l'onde diffusée dans une certaine direction est recueillie à une distance <math>D</math> de l'échantillon. En toute généralité, on peut écrire :

:<math>I = \frac{I_0}{D^2} S</math>
où <math>I_0</math> est l'intensité de l'onde incidente (exprimée en nombre de particules, photons ou neutrons selon le rayonnement, par unité de temps et de surface). La grandeur <math>S</math>, appelée [[section efficace]] différentielle de diffusion de l'échantillon, est homogène à une surface et contient l'information qui nous intéresse.

La [[diffusion élastique de rayonnement]] suppose que les ondes diffusées, de vecteur d'onde <math>\mathbf{k_d}</math>, sont de même longueur d'onde que l'onde incidente : <math>\mathbf{k_d}</math> et <math>\mathbf{k_i}</math> ont la même norme. La section efficace différentielle de diffusion est mesurée en fonction du vecteur de diffusion <math>\mathbf{q}=\mathbf{k_i}-\mathbf{k_d}</math>.

Si l'échantillon est [[Isotropie|isotrope]], la mesure ne dépend pas de l'orientation de <math>\mathbf{q}</math> mais uniquement de sa norme qui s'écrit :

:<math>q=\frac{4\pi}{\lambda}\sin{\theta/2}</math>

où <math>\lambda</math> est la longueur d'onde et <math>\theta</math> l'angle de diffusion.

===== Solutions diluées de polymères : petites valeurs de ''q'' =====
Pour une solution suffisamment diluée de polymères, on peut montrer que la section efficace différentielle de diffusion s'écrit (cf. [[Diffusion élastique de rayonnement#Objets, facteur de forme|Diffusion élastique de rayonnement]])

:<math>S(q)=  K^2 \times n \times v_1^2 \times P(q)</math>

où <math>n</math> est le nombre de chaînes en solution, <math>v_1</math> le volume de chacune d'elles (c'est-à-dire la somme des volumes de tous ses monomères{{refnec}} et non pas le volume de la sphère contenant la pelote), et <math>K^2</math> un facteur représentant le contraste entre le polymère et le solvant et qui dépend du rayonnement utilisé. Ce facteur de contraste peut se mesurer où se calculer à partir de données tabulées : c'est une grandeur connue dans la plupart des cas.

La grandeur <math>P(q)</math> est appelée facteur de forme des polymères en solution. C'est une grandeur normalisée telle que <math>P(0) = 1</math>. Pour une chaîne polymère de <math>N</math> maillons de masse molaire <math>m_0</math> et de [[masse volumique]] <math>\rho</math>, l'équation précédente devient :

:<math>\frac{S(q)}{V}=\frac{K^2}{\rho^2}m_0 \times C \times  N\times P(q)</math>
où <math>C=nNm_0/V</math> est la concentration de la solution exprimée en masse par unité de volume (g/cm<math>^3</math> par exemple).

On peut montrer (voir [[Diffusion élastique de rayonnement#Rayon de giration|Diffusion élastique de rayonnement]]), qu'à petit vecteur de diffusion comparé à la taille moyenne des pelotes, la section efficace par unité de volume s'écrit :

:<math>\left.{\frac{S(q)}{V}}\right|_{qR_g\ll 1}=\frac{K^2}{\rho^2}m_0 \times C \times N \left({1-\frac{q^2R_g^2}{3}+\cdots}\right)</math>

<math>R_g</math> est une grandeur caractéristique de la taille moyenne des pelotes que forment les chaînes. Cette grandeur appelée « rayon de giration » est la [[moyenne quadratique]] des distances des monomères au centre de gravité de chaque pelote{{refnec}}.

Pour une solution très diluée, de concentration <math>C</math> connue et pour un rapport <math>K^2/\rho^2m_0</math> également connu : la grandeur mesurée, <math>S(q)</math>, varie de façon [[Fonction affine|affine]] avec le carré <math>q^2</math> du vecteur de diffusion. L'ordonnée à l'origine permet de déterminer le nombre <math>N</math> de maillons des chaînes en solution. La pente de la droite permet de déterminer le rayon de giration <math>R_g</math>. Ce type d'expériences a permis de vérifier les relations entre ces deux grandeurs et de déterminer en particulier l'exposant <math>\nu=1/d_f</math> qui les unit.

===== Solutions diluées de polymères : loi d'échelle =====
Les objets ordinaires ont une masse, <math>M</math>, qui varie comme la puissance 1, 2 ou 3 de leur taille <math>R</math>. Pour les objets [[Fractale|fractals]], cette puissance n'est pas nécessairement entière :

:<math>M=m_0\left({\frac{R}{l_0}}\right)^{d_f}</math>

<math>d_f</math> est la [[Dimension#Dimension fractale|dimension fractale]] de cette famille d'objets. Elle caractérise la façon dont ils remplissent l'espace.

Les fractals sont le plus souvent autosimilaires, c'est-à-dire invariants par changement d'échelle.

Une fois grossie, une petite partie est statistiquement semblable à l'objet entier.

Observons sous différents grossissements la pelote que forme une chaîne polymère de rayon de giration <math>R_g</math>. Si <math>\mathcal{L}</math> est la taille de la zone observable, pour <math>R_g/\mathcal{L} < 1</math> (petit grossissement), la masse visible, <math>m</math>, est égale à la masse totale <math>M</math>. Par contre, pour <math>R_g/\mathcal{L} > 1</math> (fort grossissement), la masse visible décroît lorsque le grossissement augmente. Supposons une loi du type :

:<math>m\left({\frac{R_g}{\mathcal{L}}}\right)=M\cdot f\left({\frac{R_g}{\mathcal{L}}}\right)\quad\textrm{avec}\quad\left\{\begin{array}{l}f(x<1)=1\\
f(x\ge1)=x^{-\alpha}\end{array}\right.</math>.

Pour déterminer l'exposant <math>\alpha</math>, on utilise un argument d'échelle qui postule<ref>{{en}} [[Pierre-Gilles de Gennes]], ''{{Lang|en|texte=Scaling concepts in polymer physics}}'', [[Cornell University Press]], 1993, {{4e}}{{éd.}}, 324{{nb p.}} {{ISBN|978-0-8014-1203-5}}</ref> :
# Qu'une seule longueur est pertinente pour décrire l'objet (ici son rayon <math>R_g</math>) ;
# Qu'à fort grossissement, la mesure est insensible à <math>M</math> (on ne peut déduire la masse totale de l'objet en n'observant qu'une partie). Ce qui s'exprime par <math>m(R_g/\mathcal{L}>1)=M^0</math>.

La relation précédente donne <math>\alpha=d_f</math>.

C'est ce qui se passe lors d'une expérience de diffusion de rayonnement pour laquelle l'échelle d'observation peut être assimilée à l'inverse du vecteur de diffusion : <math>q=1/\mathcal{L}</math>. En solution très diluée, la grandeur physique donnant accès à la masse d'un objet est la section efficace de diffusion cohérente par unité de volume, de concentration et de contraste :

:<math>\left[{S(q)/(VCK^2)}\right]_{C\to 0}=M\times P(qR_g)=m(qR_g)</math>.

Dans le régime intermédiaire du vecteur de diffusion tel que <math>R_g<q^{-1}<l_0</math>, la mesure sonde l'intérieur de l'objet et est sensible à son autosimilarité. L'argument d'échelle postule qu'une seule longueur est pertinente (or <math>R_g</math> est déjà nécessaire à <math>qR_g<1</math>) et que l'expérience est insensible à <math>M</math>.

:<math>\begin{array}{rl}\left[{S(q)/(CVK^2)}\right]_{C\to 0}=M\times P(qR_g)&\textrm{avec}\quad\left\{{\begin{array}{l}P(qR_g<1)=1\\P(qR_g\ge  =(qR_g)^{-d_f}\end{array}}\right.\end{array}</math>

Une expérience de diffusion de rayonnement réalisée à grand vecteur de diffusion par rapport au rayon de giration des chaînes donne directement accès à la [[Dimension#Dimension fractale|dimension fractale]] des chaînes en solution. Cette façon de déterminer <math>d_f</math> utilise l'autosimilarité d'une chaîne seule, tandis que la précédente basée sur des [[#Solutions diluées de polymères : petites valeurs de q|mesures à petit vecteur de diffusion]] utilise l'autosimilarité des chaînes entre elles.

==== Chromatographie d'exclusion stérique ====
{{Article détaillé|Chromatographie d'exclusion stérique}}

== Nomenclature ==
La nomenclature [[Union internationale de chimie pure et appliquée|IUPAC]] recommande de partir du motif de base de la répétition.
Cependant de très nombreux polymères ont des noms usuels ne respectant pas cette nomenclature, mais sont basés sur le nom des molécules servant à synthétiser le polymère.
Exemple : le polymère de formule <math>\mathrm{-(CH_2-CH_2)}_n-</math> est couramment appelé [[polyéthylène]] (sigle PE). Pour respecter la nomenclature IUPAC, il devrait être nommé « polyméthylène » car le motif constitutif n'est pas le groupe éthylène <math>\rm -CH_2-CH_2-</math> mais le groupe méthylène <math>\rm -CH_2-</math>.

=== Nomenclature des [[homopolymère]]s ===
Il existe à présent deux nomenclatures recommandées par l'IUPAC :
* la ''nomenclature systématique'', appropriée aux communications scientifiques ;
* la ''nomenclature dérivée des précurseurs'', nomenclature alternative officielle pour les [[homopolymère]]s, dans laquelle figurent des noms usuels.

Références : les recommandations de l'IUPAC et le glossaire du [[Journal officiel de la République française|JORF]] du {{date-|1 mars 2002}} pour les adaptations en langue française<ref>1. [[Union internationale de chimie pure et appliquée|IUPAC]] : [http://www.gfp.asso.fr/ressources-documentaires/glossaire ''Glossaire des termes de base en science des polymères (Recommandations 1996)'']<br />
[http://old.iupac.org/reports/1996/6812jenkins/ ''Glossary of basic terms in polymer science''] ({{en}}, version originale du document précédent)<br />
[http://www.atomer.fr/1/1_nomenclature_des_polymeres.html ''Nomenclature des polymères'', d'après les recommandations de l'IUPAC 2001]<br />
{{pdf}} [http://iupac.org/publications/pac/pdf/2002/pdf/7410x1921.pdf ''Nomenclature des polymères organiques monocaténaires réguliers''], 2002 {{en}}<br />
R. Panico, J.-C. Richer, ''Nomenclature IUPAC des composés organiques'', [[Éditions Masson|Masson]] (1994) {{ISBN|978-2-225-84479-9}}<br />
2. [[Journal officiel de la République française|JORF]] : {{pdf}} [http://www.educnet.education.fr/rnchimie/recom/terminologie_v2.pdf ''Termes généraux de la chimie'']<br />
[http://www.culture.gouv.fr/culture/dglf/cogeter/010302-polymeres.htm ''Vocabulaire des polymères''] (version abrégée du document précédent).</ref>.

==== Terminologies préliminaires ====
{| class="wikitable"
! Terme IUPAC
! Terme JORF
! Définition
|-----
| ''Unité constitutive''
| ''Unité constitutive''
| Atome ou groupe d'atomes, incluant les atomes ou groupes d'atomes éventuellement attachés, qui constituent une partie <br> fondamentale de la ''structure'' d'une macromolécule.
|-----
| ''Unité constitutive de répétition'' (CRU : ''{{Lang|en|texte=constitutional repeating unit}}'')<ref>[http://old.iupac.org/reports/1996/6812jenkins/molecules.html#1.15 ''{{Lang|en|texte=Constitutional repeating unit}}'' (CRU)]</ref>
| ''Motif constitutif'' (MC)
| La ''plus petite'' unité constitutive dont la répétition conduit à une macromolécule régulière{{exp|*}}.
|-----
| ''Unité monomère''
| ''Unité monomère''
| Unité constitutive ''la plus grande'' de la structure d'une macromolécule formée à partir d'une seule molécule de [[monomère]].
|}

{{exp|*}} Macromolécule régulière : macromolécule qui résulte de la répétition d'unités constitutives toutes identiques et reliées entre elles de la même manière.

* ''Nom trivial'' : nom dont aucune partie n'a de signification structurale. Exemple : [[urée]].
* ''Nom semi-systématique'' : nom donné à un composé et dont une partie seulement a une signification structurale.

Exemples : [[propane]] (''ane'' désigne un [[alcane]]), [[glycérol]] (''ol'' désigne le [[groupe hydroxyle]] <math>\rm -OH</math> des [[alcool (chimie)|alcools]] et des [[phénol (groupe)|phénols]]).
* ''Nom systématique'' : nom donné à un composé et dont les différentes parties ont une signification structurale précise.

Exemples : [[pentane]] ([[préfixe numérique|''penta-'']] = cinq (atomes de carbone), et ''ane''), [[thiazole (molécule)|1,3-thiazole]].

==== Utilisation des nomenclatures ====
1 - '''Nomenclature systématique'''

Elle est basée sur la ''structure'' des macromolécules constituant les polymères ; l'unité structurale est l'''unité constitutive de répétition'' (CRU), ou ''motif constitutif'' (MC).

* ''Élaboration du nom''
: a) sélectionner le motif constitutif
: b) nommer le motif
: c) nommer le polymère ; son nom est formé en combinant le préfixe ''poly'' avec le ''nom du motif constitutif'' placé ''entre parenthèses''.

2 - '''Nomenclature dérivée des précurseurs'''

Les [[précurseur (chimie)|précurseurs]] servant à [[synthèse chimique|synthétiser]] les polymères sont le plus souvent des monomères.

* Les noms des monomères de cette nomenclature doivent être de préférence issus de la ''nomenclature systématique'' mais peuvent être également des noms ''semi-systématiques'' ou ''triviaux'' lorsqu'ils sont bien établis par l'usage.
* Le nom dérivé du précurseur d'un homopolymére est formé en combinant le préfixe ''poly'' avec le nom du monomère. Quand ce dernier ''comporte plus d'un mot'' ou en cas d'''ambiguïté'', le nom du monomère est placé ''entre parenthèses''.

3 - '''Exemples'''

3-1 ''[[Monomère]]'' : l'''[[éthylène|éthène]]'' <math>\rm CH_2=CH_2</math> ([[formule semi-développée]])

* ''Nom dérivé du précurseur'' : ''[[polyéthylène|polyéthène]]''
* ''Unité monomère'' : <math>\rm -CH_2-CH_2-</math> (groupe ''éthylène'')
* ''Motif constitutif'' : <math>\rm -CH_2-</math> (groupe ''méthylène'')
* ''Nom systématique'' du polymère : ''poly(méthylène)''
: Structure moléculaire : <math>\mathrm{-(CH_2)}_n-</math>

''Remarque'' : la formule <math>\mathrm{-(CH_2-CH_2)}_n-</math> est plus souvent utilisée ; elle est acceptable en raison de son utilisation passée et de la tentative de conserver une certaine similitude avec les formules d’homopolymères issus d’autres monomères dérivés de l’[[éthylène|éthène]], comme celui de l’exemple 3-2. Le nom du polymère associé à cette formule est ''[[polyéthylène]]'' ; le nom ''éthylène'' devrait être utilisé pour désigner le groupe [[valence (chimie)|divalent]] <math>\rm -CH_2-CH_2-</math> seulement, et non pour nommer le monomère <math>\rm CH_2=CH_2</math> (''éthène'')<ref name="iupac_2002">{{en}} {{pdf}} [http://iupac.org/publications/pac/pdf/2002/pdf/7410x1921.pdf ''Nomenclature des polymères organiques monocaténaires réguliers''], Recommandations [[Union internationale de chimie pure et appliquée|IUPAC]] 2002. Voir le tableau en annexe : « ''11.2 Structure- and source-based names for common polymers'' »</ref>.

3-2 ''Monomère'' : le ''[[chlorure de vinyle]]'' <math>\rm CH_2=CHCl</math> ([[Nomenclature systématique|nom systématique]] : ''[[chlorure de vinyle|chloroéthène]]'')

* ''Nom dérivé du précurseur'' : [[polychlorure de vinyle|''poly(chlorure de vinyle)'']]
* ''Motif constitutif'' : <math>\rm -CH_2-CHCl-</math>, ou <math>\rm -CHCl-CH_2-</math>
* ''Unité monomère'' : id°.
* ''Sélection du motif constitutif''
: Celui-ci est écrit pour une lecture ''de gauche à droite'' (numérotation des atomes <math>\rm C</math> dans le même sens), le [[réaction de substitution|substituant]] <math>\rm Cl</math> doit être placé sur le carbone ''de plus petit indice'' :
: <math>\rm -C^1HCl-C^2H_2-</math> plutôt que <math>\rm -C^1H_2-C^2HCl-</math>
: ⇒ ''Motif constitutif'' : <math>\rm -CHCl-CH_2-</math>
* ''Nom du motif constitutif'' : tout se passe comme si l'atome de chlore <math>\rm Cl</math> se substituait à un atome <math>\rm H</math> sur le carbone numéro <math>1</math> du groupe ''éthylène'' <math>\rm -CH_2-CH_2-</math>
: Nom : ''1-chloroéthylène''
* ''Nom systématique'' du polymère : ''poly(1-chloroéthylène)''
: Structure moléculaire : <math>\mathrm{-(CHCl-CH_2)}_n-</math>

3-3 ''Récapitulation et autres exemples''

Source : nomenclature des polymères organiques monocaténaires réguliers (recommandations [[Union internationale de chimie pure et appliquée|IUPAC]] 2002 en anglais)<ref name="iupac_2002"/>.

{| class="wikitable"
! Structure
! Nom dérivé du précurseur<br /><small>(le préféré est proposé en premier)</small>
! Nom systématique
|-----
| <math>\mathrm{-(CH_2)}_n-</math>
| [[polyéthylène|polyéthène]]<br />[[polyéthylène]]
| poly(méthylène)
|-----
| <math>\mathrm{-(CHCl-CH_2)}_n-</math>
| [[polychlorure de vinyle|poly(chlorure de vinyle)]]
| poly(1-chloroéthylène)
|-----
| <math>\mathrm{-(CH(C_6H_5)-CH_2)}_n-</math><br />(<math>\rm C_6H_5-</math> : groupe [[phényle]])
| [[polystyrène]]
| poly(1-phényléthylène)
|-----
| <math>\mathrm{-(O-CH_2-CH_2)}_n-</math> {{exp|*}}
| [[oxyde d'éthylène|poly(oxyde d'éthylène)]]
| poly(oxyéthylène)
|-----
| <math>\mathrm{-(O-CH_2)}_n-</math>
| [[Méthanal|polyformaldéhyde]]
| poly(oxyméthylène)
|-----
| <math>\mathrm{-(CH=CH-CH_2-CH_2)}_n-</math> {{exp|**}}
| [[buta-1,3-diène|poly(buta-1,3-diène)]]<br />[[polybutadiène]]
| poly(but-1-ène-1,4-diyle)
|-----
| <math>\mathrm{-(CHOH-CH_2)}_n-</math>
| [[alcool polyvinylique|poly(alcool vinylique)]] {{exp|***}}
| poly(1-hydroxyéthylène)
|-----
| <math>\mathrm{-(O-CH_2-CH_2-O-CO-C_6H_4-CO)}_n-</math>
| [[polytéréphtalate d'éthylène|poly(téréphtalate d'éthylène)]] {{exp|****}}
| poly(oxyéthylèneoxytéréphtaloyle)
|}

{{exp|*}} Le motif <math>\rm -O-CH_2-CH_2-</math> est constitué de deux ''sous-unités'' : <math>\rm -O-</math> (préfixe ''oxy-'') et <math>\rm -CH_2-CH_2-</math> (groupe ''éthylène'') ; l'[[hétéroatome]] O a priorité sur la sous-unité carbonée ; il est placé en première position.

{{exp|**}} La priorité revient à la sous-unité la plus [[composé insaturé|insaturée]] : <math>\rm -CH=CH-</math>.

{{exp|***}} Certains polymères sont obtenus par [[modification chimique d'un polymère|modification chimique d'autres polymères]] de telle façon que l'on puisse penser que la structure des macromolécules qui constitue le polymère a été formée par homopolymérisation d'un ''monomère hypothétique''. Ces polymères peuvent être considérés comme étant des [[homopolymère]]s. C'est le cas du [[alcool polyvinylique|poly(alcool vinylique)]]<ref name="homopolyhypoth">Voir les définitions 2.4 et 3.3, ''homopolymères'' et ''homopolymérisation'' dans le [[Union internationale de chimie pure et appliquée|IUPAC]] : [http://www.gfp.asso.fr/ressources-documentaires/glossaire ''Glossaire des termes de base en science des polymères (Recommandations 1996)''].</ref>.

{{exp|****}} De nombreux polymères sont obtenus par réaction entre monomères mutuellement réactifs. Ces monomères peuvent facilement être visualisés comme ayant réagi pour donner un ''monomère implicite'' dont l'homopolymérisation conduirait à un produit qui peut être vu comme un homopolymère<ref name="homopolyhypoth"/>. Le [[polytéréphtalate d'éthylène|poly(téréphtalate d'éthylène)]] est obtenu par réaction entre l'[[acide téréphtalique]] ([[acide dicarboxylique]]) et l'[[éthylène glycol]] ([[diol]]) ; ces monomères ont réagi pour donner un ''monomère implicite''.

== Notes et références ==
{{Références}}

== Annexes ==
{{Autres projets
| commons=Category:Polymers
| wiktionary=polymère
| wikiversity=Introduction_à_la_science_des_matériaux/Les_polymères_-_Propriétés_générales
}}

=== Articles connexes ===
{{Article détaillé|contenu=Voir aussi la [[:Catégorie:Revue de science des polymères|liste des revues scientifiques de science des polymères]]}}
* [[Physique des polymères]]
* [[Plasticité et endommagement d'un polymère]]
* [[Polymère superabsorbant]]
* [[Liste des découvertes et inventions liées au hasard#Les matières plastiques|Découvertes et inventions liées au hasard concernant les polymères]]
* [[Complexe polymère]]
* [[Dynamique des particules dissipatives]]

=== Liens externes ===
* [http://www.atomer.fr/1/1_abreviations_des_polymeres.html Abréviations de plus de 230 polymères industriels]
* [http://www.med.univ-angers.fr/discipline/lab_histo/page_phema.htm Polymère comme biomatériau osseux]
* [http://www.atomer.fr/1/1_nomenclature_des_polymeres.html Nomenclature IUPAC des polymères traduite en français]
* {{en}} [http://pslc.ws/macrog/index.htm Un jeu pour découvrir les polymères]

=== Bibliographie ===
* {{en}} J.M.G. Cowie et Valeria Arrighi, ''{{Lang|en|texte=Polymers: Chemistry and Physics of Modern Materials}}'', [[CRC Press]], 2007, {{3e}}{{éd.}}, 499{{nb p.}} {{ISBN|978-0-8493-9813-1}}
* J.-L. Halary et F. Lauprêtre, ''De la macromolécule au matériau polymère'', [[Éditions Belin|Belin]], {{coll.}} Échelles, 2006, 334{{nb p.}} {{ISBN|978-2-7011-3422-2}}
* J.-L. Halary, F. Lauprêtre et [[Lucien Monnerie|L. Monnerie]], ''Mécanique des matériaux polymères'', Belin, {{coll.}} Échelles, 2008, 432{{nb p.}} {{ISBN|978-2-7011-4591-4}}
* {{Ouvrage|langue=fr|prénom1=Rémi|nom1=Deterre|prénom2=Gérard|nom2=Froyer|titre=Introduction aux matériaux polymères|lieu=Paris|éditeur=Tec & Doc Lavoisier|année=1997|pages totales=212|isbn=2-7430-0171-2}}
* {{Ouvrage|langue=fr|prénom1=Michel|nom1=Fontanille|prénom2=Yves|nom2=Gnanou|titre=Chimie et physico-chimie des polymères|lieu=Paris|éditeur=[[Éditions Dunod|Dunod]]|collection=Sciences Sup|année=2014|numéro d'édition=3|pages totales=576|isbn=978-2-10-058915-9}}

{{Palette|Matériaux polymères}}
{{Portail|chimie|physique|matériaux}}

[[Catégorie:Polymère| ]]