Les matériaux plastiques

Les matériaux organiques Polymères synthétiques (les « matières plastiques »)‏ Polymères naturels

1. Définition: Les matières plastiques sont des matériaux organiques de synthèse fondés sur l'emploi des macromolécules appelées polymères. Les polymères organiques sont synthétisés au départ de monomères qui sont des molécules réactives de faible masse molaire qui, par polymérisation ou par polycondensation, engendrent des structures macromoléculaires. polycondensation = Réaction de polymérisation dans laquelle plusieurs molécules de natures différentes s'unissent pour former un polymère avec élimination de molécules légères.

2. Composition générale La matière de base des matériaux plastiques est la résine (la résine est un matière organique ; est un mélange de molécules en longues chaînes appelées polymères) Un polymère est un ensemble des molécules appelées monomère. À partir de petites molécules appelées monomères, on obtient de grosses molécules appelées polymères ou macromolécules. Les chaînes polymérisées de molécules carbonées. On utilise souvent les extraits du pétrole. La polymérisation c’est l'assemblage de particules de monomères pour former une chaîne qui constituera le polymère.

n Synthèse par réaction de polyaddition Deux grandes méthodes de synthèse : Par réaction de polymérisation en chaîne (polyaddition)‏ Par réaction de polymérisation par étapes (polycondensation)‏ Synthèse par réaction de polyaddition Éthylène(éthène) Polyéthylène n Ex : Synthèse du polyéthylène 5

Réaction de condensation Réactions « classiques » de la chimie organique exemple : estérification acide + alcool donne ester + eau + = R' C O H R Une polycondensation est une condensation répétée Lors d’une condensation: deux molécules réagissent pour en former une autre avec élimination d’un résidu simple. (eau, alcool, ammoniac)‏ 6

Les différentes chaînes carbonées On distingue deux types de chaînes: Les polymères linéaires: les motifs s’enchaînent de manière unidimensionnelle. Les polymères ramifiés: s’il existe des ramifications sur la chaîne, elle peuvent être courtes (polymère branché) ou longues et reliées entre elles (polymère réticulé): Polymère : (a) linéaire, (b) ramifié, (c) tridimensionnel (réticulé)

Nom Temp. d’ébullition °C Formule Méthane −161,4 °C CH4 Éthane −88,6 °C C2H6 Propane −42,2 °C C3H8 Butane −0,5 °C C4H10 Pentane 36,3 °C C5H12 hexane 69 °C C6H14 Le naphta est un liquide transparent, issu de la distillation du pétrole. Le naphta est issu des vapeurs condensées du pétrole brut, lui-même chauffé à haute température dans une tour de distillation. Ces vapeurs condensées passent ensuite de l’état gazeux à l’état liquide après refroidissement Chaque hydrocarbure pur possède des caractéristiques chimiques et physiques spécifiques. Le tableau ci-contre montre les températures d'ébullition des alcanes linéaires légers, très courants dans le pétrole quelle que soit sa provenance. Le vapocraquage est un procédé pétrochimique par lequel des hydrocarbures saturés sont cassés en molécules plus petites, et souvent insaturées. C'est donc la source principale de production d'alcènes (éthylène, propylène, etc.), monomères à l'origine de nombreuses matières plastiques.

Colonne de Distillation (raffinerie)

3. Familles de matières plastiques 1. Thermoplastique : Les polymères thermoplastiques sont constitués de macromolécules de taille limitée, linéaire ou ramifiée. Cette catégorie de matériaux est composée de macromolécules qui sont en règle générale solubles dans les solvants organiques qui sont capables de séparer les chaînes de polymères les unes des autres. À haute température (de 175-350 °C maximum suivant le type de polymères), les polymères thermoplastiques passent à l’état fondu Les thermoplastiques se déforment et sont façonnables sous l'action de la chaleur, ils gardent cette forme en refroidissant. Cette propriété permet leur recyclage : les objets sont broyés et refondus pour en élaborer d'autres. Les plus répandus sont le polychlorure de vinyle, le polystyrène. La transformation d'un thermoplastique est réversible. Il est donc recyclable Dans les polymères thermoplastiques, les forces de liaison intermoléculaires sont des forces de valence secondaire, et le passage à l’état fondu s’effectue à des températures beaucoup plus basses que celles nécessaires pour la mise en œuvre des métaux et des céramiques. Cette caractéristique physique permet le formage des polymères thermoplastiques à des températures relativement basses (175-350 °C) avec des cadences de production en objets finis extrêmement élevées. Ce sont les grandes facilités de mise en œuvre qui se déroulent dans des conditions très favorables d’un point de vue énergétique qui sont en grande partie à la base du succès économique des matériaux polymères.

Le vapocraquage est un procédé pétrochimique par lequel des hydrocarbures saturés sont cassés en molécules plus petites, et souvent insaturées. C'est donc la source principale de production d'alcènes (éthylène, propylène, etc.), monomères à l'origine de nombreuses matières plastiques.

Quelques thermoplastiques

En raison de leur nature paraffinique, les polyoléfines Ces matériaux ont donc une qualité alimentaire. Le collage est très difficile (la surface est particulièrement inerte, des traitements de surface spéciaux sont nécessaires sont hydrophobes et possèdent en général une grande inertie chimique (aux solvants, acides, bases, etc.). Cependant, ils sont sensibles à l'action des UV, et résistent très peu à l'inflammation, Leur densité est très faible : ils flottent dans l'eau. Ils sont opaques, sauf le polyméthylpentène (transparent). Téflon est thermostable, possède une grande inertie chimique et un très grand pouvoir antiadhésif. Presque tous les bateaux en plastique sont fabriqués à partir d'un mélange de polyéthylène. Les bateaux conçus pour l'eau vive, le surf ou les expéditions coûtent plus cher car ils sont fabriqués avec du polyéthylène de haute densité, plus robuste et plus rigide que le polyéthylène de faible densité.

Les polymères vinyliques sont faits de monomères vinyliques, c'est-à dire de petites molécules contenant des doubles liaisons carbone-carbone  Il est préparé à partir de deux matières premières : à 57 % de sel et à 43 % de pétrole. Le PVC est la seule matière plastique d'usage courant constituée par plus de 50 % de matière première d'origine minérale le PVC rigide, typiquement les tuyaux de canalisation, a un aspect lisse. On fabrique aussi des cartes « format carte de crédit ». Elles peuvent être aussi en poly(téréphtalate d'éthylène) (PET) ou en polycarbonate (PC) ; le PVC souple, qui recouvre certaines pièces telles les manches de pinces, a un aspect brillant. On peut aussi le trouver dans des revêtements de sol et dans des types de plafonds tels les plafonds tendus; les films de PVC plastifié (commercialisés en bobines) utilisés (sous forme de film adhésif) comme lamination ou pour le marquage publicitaire, ou (sous forme de film étirable) comme emballage ; Avant les années 2000, le PVC était perçu comme un matériau non recyclable,,,,,,, Vinyle ou l’éthényle

Le styrène est un composé organique aromatique de formule chimique C8H8. C'est un liquide à température et à pression ambiantes. Il est utilisé pour fabriquer des plastiques, en particulier le polystyrène. Le styrène est un composé chimique incolore, huileux, toxique et inflammable.

La très grande transparence de cette matière est exploitée pour la fabrication de verres optiques, des CD et DVD, des lentilles de caméras thermiques (caméras infrarouge) ou encore de vitres de phares automobiles. En forte épaisseur, il possède une légère teinte jaune. Son excellente résistance aux chocs en fait un matériau très approprié pour la fabrication de casques de moto ou de boucliers de police, mais aussi de mobilier. L'innocuité physiologique du polycarbonate permet son utilisation dans le domaine médical pour la fabrication de matériel ou de prothèses. Sa sensibilité aux agents chimiques et aux ultraviolets limitent toutefois son utilisation. On doit faire particulièrement attention lors de contacts prolongés avec l'eau, surtout à des températures supérieures à 60 °C. On risque une forte hydrolyse Le polycarbonate est mal adapté aux fours à micro-ondes : il absorbe la chaleur.

Le nylon est  souvent utilisée comme fibre textile. La résistance et surtout les qualités frottantes du nylon en font un matériau de choix pour les petites pièces de frottement, en particulier dans l'industrie alimentaire Le Kevlar, un aramide, est plus rigide que les nylons.

Synthèse d’un polyamide Nécessité de deux composés difonctionnels pour répéter les enchaînements: (di)acide + (di)amine donne amide + eau + H2O Une liaison peptidique est une liaison covalente qui s'établit entre la fonction carboxyle portée par le carbone α d'un acide aminé et la fonction amine portée par le carbone α de l'acide aminé suivant dans la chaîne peptidique. + etc…

2. Thermodurcissable: Les thermodurcissables prennent leur forme définitive au premier refroidissement, la réversibilité est impossible. Les plus célèbres sont les phénoplastes, La transformation d'un thermodurcissable est irréversible. On les trouve sous forme liquide, pâteuse ou solide. Ils sont utilisés en : - résines : articles de sport, coques, pièces pour l’aéronautique... - adhésifs : collage de béton, de métaux, de plastiques... - poudres à mouler : isolation électrique... - peintures et vernis, - composites hautes performances.

3. Élastomère Les élastomères sont des polymères présentant les mêmes qualités élastiques que le caoutchouc. Ils sont employés dans la fabrication des pneus, ce sont des matériaux très résistants. Les élastomères sont obtenus au départ de polymères linéaires ayant généralement une masse moléculaire comprise entre 100 000 et 500 000 et caractérisés par des liaisons secondaires extrêmement faibles (~4 kJ mol-1). Ces polymères sont à température ambiante des liquides très visqueux. Pour leur conférer des propriétés élastiques en traction ou en cisaillement, on introduit un certain nombre de liaisons pontales entre les chaînes de polymère. Ceci confère au matériau une structure tridimensionnelle et assure la réversibilité de la déformation mécanique. La présence des liaisons pontales qui assure la réversibilité de la déformation mécanique. le module d’élasticité des caoutchoucs est directement lié à la densité de réticulation.

D’un point de vue macroscopique Dans les polymères : 3 microstructures • Les thermoplastiques (non réticulés) fondent avant de brûler. - cristallin : durs amorphe : souples • Les élastomères (+/- réticulés) brûlent sans avoir fondu - très souples • Les thermodurcissables (réticulés) brûlent sans avoir fondu Durs D’un point de vue macroscopique Dans les polymères : 3 microstructures Les polymères réticulés, qui ont une structure tridimensionnelle, sont composés de chaînes de polymères reliées entre elles par des liaisons pontales. les polymères parfaitement linéaires, les molécules peuvent, s’aligner, se rapprocher et établir des liaisons assez fortes, appelées liaisons pontales. À cause d’une différence d’indice de réfraction entre phases amorphes et cristallines, les polymères semicristallins ne sont généralement pas transparents mais translucides.

Procédé général d’obtention de la matière plastique Schéma de fabrication de procédé de fabrication des pièces en plastiques La production mondiale de polymères est de l’ordre de 90 Mt. La France en produit 5,8 Mt (4ème rang mondial). Les thermoplastiques correspondent à 70% de la production.

Les thermoplastiques sont généralement obtenus sous forme de poudre ou de granulés. Il existe plusieurs techniques pour les transformer: extrusion: le polymère est ramolli puis entraîné par une vis sans fin; il est ainsi mis en forme de tube extrusion-soufflage: le thermoplastique fondu, extrudé sous forme de tube, reçoit de l’air sous pression ce qui le plaque sur les parois d’un moule en forme de bouteille; moulage par injection: la vis d’extrusion accumule le plastique fondu devant elle et le pousse dans un moule de la forme désirée (récipients, pièces pour l’électroménager, l’automobile...); thermoformage: on obtient des feuilles de plastique à plat par extrusion; on les ramollit par infrarouge, on les plaque sur un moule par aspiration puis découpée selon la forme désirée (petits objets moulés tels que verres, pots de yaourt...).

Vidéo

EXEMPLES DE POLYMERES NATURELS L’amidon : Linéaire : amylose (a)‏ Ramifié : amylopectine (b)‏ 26

EXEMPLES DE POLYMERES NATURELS Protéines naturelles : Exemple : la fibroïne (soie d’araignée)‏ 27 27

EXEMPLES DE POLYMERES NATURELS La cellulose 28 28