plastiques, matières - chimie.

plastiques, matières - chimie. 1 PRÉSENTATION plastiques, matières, matières composées principalement de polymères, qui ont la propriété de se mettre en forme facilement par extrusion, moulage, coulage ou filage après un chauffage modéré (100-200 °C). Les matières plastiques sont intéressantes à plusieurs points de vue : leur rapport résistance à la rupture / masse volumique est très élevé ; elles possèdent d'excellentes propriétés d'isolation thermique et électrique ; elles offrent une bonne résistance aux acides, aux bases et aux solvants. 2 HISTORIQUE 2.1 Les premières matières plastiques Les premières matières plastiques ont été réalisées à base de polymères naturels, plus ou moins modifiés chimiquement. Ainsi, en 1847, on commença à utiliser du nitrate de cellulose (cellulose extraite de végétaux modifiée par une réaction de nitratation) pour la fabrication de laques. En 1870, l'Américain Hyatt synthétisa du Celluloïd à partir d'un mélange de camphre et de nitrate de cellulose, en y ajoutant un solvant à base d'alcool. Ce composé fut utilisé par la suite pour la fabrication de films photographiques et cinématographiques. C'est à la même époque que l'on mit au point l'élaboration de matières plastiques à base de résines. L'Américain Leo Hendrik Baekeland fut le premier à préparer une forme de Bakélite, en 1909, à partir de dérivés phénoliques et de formol. D'autres matières plastiques apparurent au même moment, comme la rayonne, fabriquée à partir de la cellulose. En 1922, le chimiste allemand Hermann Staudinger introduisit la notion de macromolécule, molécule comportant de plusieurs milliers à plusieurs centaines de milliers d'atomes. Cette notion permit de poser les bases de l'étude des polymères, composants essentiels des matières plastiques et des élastomères. Grâce à cette hypothèse, on put assister au développement d'une nouvelle génération de matières plastiques, y compris de produits totalement synthétiques. Au cours des années 1920 et 1930, un grand nombre de nouveaux produits firent ainsi leur apparition : l'acétate de cellulose, utilisé dans le moulage des résines et dans les fibres ; le chlorure de polyvinyle (PVC), bon isolateur électrique, utilisé dans la fabrication de tuyaux, les revêtements vinyliques et l'isolation des fils électriques ; les résines urée-formol, utilisées dans la vaisselle et les installations électriques ; la résine acrylique, employée comme liant pour le verre feuilleté ; le polyméthacrylate de méthyle (Plexiglas), qui possède d'excellentes propriétés optiques, employé dans les lunettes, les lentilles photographiques, les éclairages publicitaires ; les résines de polystyrène (PS), commercialisées vers 1937, caractérisées par une grande résistance aux agressions chimiques et mécaniques à basse température, utilisées dans les équipements de réfrigération et les avions de haute altitude ; le polytétrafluoroéthylène (Teflon), apparu en 1938, qui offre une grande résistance à la corrosion et à la chaleur ; le polyamide (Nylon), synthétisé dans les années 1930, qui fut le premier plastique technique à haute performance. Ces recherches sur de nouvelles matières plastiques se poursuivirent au cours de la Seconde Guerre mondiale. Le Nylon devint rapidement la base de nombreux textiles, tandis que les polyesters servirent à fabriquer des blindages et d'autres matériels de guerre. 2.2 L'après-guerre L'élan scientifique et technologique insufflé à l'industrie des matières plastiques se poursuivit après la guerre. On mit au point des matières plastiques telles que les polycarbonates, les acétals et les polyamides. D'autres produits synthétiques remplacèrent le métal sur certaines machines, sur les casques de sécurité, les appareils domestiques ou les véhicules. En 1953, le chimiste allemand Karl Ziegler réussit la synthèse du polyéthylène ; un an plus tard, le chimiste italien Giulio Natta mit au point le polypropène. Les deux scientifiques partagèrent, en 1963, le prix Nobel de chimie pour leurs travaux sur les polymères. Le polyéthylène et le polypropène font partie des matières plastiques les plus importantes à l'heure actuelle. Grâce à la synthèse de tous ces nouveaux produits, la chimie organique a connu, au XXe siècle, un formidable essor. Aujourd'hui, tous les matériaux naturels sont concurrencés par des équivalents synthétiques. 3 TYPES DE MATIÈRES PLASTIQUES Il existe quatre classifications possibles des matières plastiques : d'après leur procédé de polymérisation, d'après leur comportement thermique, d'après leur nature chimique et d'après leur type d'usage. 3.1 Polymérisation Les deux procédés de base de la polymérisation sont les réactions par condensation et par addition. La condensation produit des polymères à longueur de chaîne variable, et de petites molécules comme l'eau, l'ammoniac et le glycol. La réaction par addition ne génère que des polymères de longueurs spécifiques, sans aucun sous-produit. Les polymères types formés par condensation sont les Nylons, les polyuréthannes (PU) et les polyesters. Parmi les polymères synthétisés par addition, on peut citer le polyéthylène (PE), le polypropène (PP), le chlorure de polyvinyle (PVC) et le polystyrène (PS). 3.2 Comportement thermique On distingue les thermoplastiques des thermodurcissables par leur comportement thermique. Les thermoplastiques, constitués de polymères linéaires ou ramifiés, fondent de manière réversible par simple chauffage (100-200 °C). Cette propriété est utilisée pour leur mise en forme. Parmi les thermoplastiques, on peut citer le polyéthylène, le polypropène, le chlorure de polyvinyle et le polystyrène. Les plastiques thermodurcissables subissent une cuisson (vulcanisation) après leur mise en forme pour les réticuler (création de ponts entre les chaînes). Cette opération les rend infusibles. Ce sont principalement les résines polyesters, phénoliques, polyuréthannes ou les résines à base de formaldéhyde. 3.3 Nature chimique La nature chimique d'un plastique est définie par le ou les monomères formant le motif de base de la chaîne du polymère. Par exemple, les polyoléfines sont composés de motifs de monomères d'oléfine, qui sont des chaînes hydrocarbonées avec au moins une double liaison. Le polyéthène est une polyoléfine dont le motif monomère est l'éthène (appelé communément éthylène). Parmi les grandes familles chimiques de plastiques, on peut mentionner les acryliques (comme le polyméthacrylate de méthyle), les styrènes (comme le polystyrène), les halogénures vinyliques (comme le chlorure de polyvinyle), les polyesters, les polyuréthannes, les polyamides (comme les Nylons), les polyéthers, les acétals, les phénoliques, les cellulosiques et les résines aminées. 3.4 Type d'usage Les plastiques de commodité, comme le polyéthylène, le polypropène, le chlorure de polyvinyle, le polystyrène, les polyesters insaturés ou les résines thermodurcissables de faible poids moléculaire, sont faciles à mettre en oeuvre et remplacent avantageusement des matériaux naturels, comme le bois ou les métaux, grâce à leur faible prix de revient. Les matières plastiques techniques, comme les polyamides ou les polycarbonates, mises au point pour des applications spécifiques, peuvent atteindre de très hautes performances (mécaniques, chimiques, électriques et / ou optiques), mais leur prix de revient est plus élevé. 4 FABRICATION La fabrication des matières plastiques suppose l'approvisionnement en matières premières, la synthèse du polymère de base, et le traitement du polymère en un matériau adapté à la fabrication et à la mise en forme. 4.1 Matières premières À l'origine, la plupart des matières plastiques provenaient de résines dérivées de matières végétales, comme la cellulose (extraite du coton), le furfural (extrait de céréales), les huiles (obtenues à partir de graines), les dérivés d'amidon ou le charbon. La caséine (issue du lait) était l'une des seules matières non végétales utilisées. Aujourd'hui, la plupart des matières plastiques sont synthétisées à partir de produits pétrochimiques. La chimie organique permet de préparer tous les précurseurs des polymères à partir du pétrole, de façon abondante et bon marché. 4.2 Synthèse du polymère La polymérisation est la première phase de fabrication du plastique. On utilise des réactions par condensation ou par addition (voir Polymères). L'ajout de copolymères (monomères différents) permet de modifier les propriétés du polymère ; par exemple, on peut ainsi augmenter son aptitude au thermoformage ou sa résistance à l'état fondu, augmenter sa résistance aux chocs (copolymères séquencés) ou ses propriétés optiques (copolymères statistiques du polyéthylène, par exemple). 4.3 Adjuvants Des adjuvants chimiques sont souvent utilisés en faible quantité (quelques pour cent) pour donner aux matières plastiques des caractéristiques souhaitées. On peut citer les pigments et les colorants, les stabilisants et les anti-oxydants (qui augmentent la résistance du polymère à la chaleur), les ultraviolets, l'oxygène ou l'ozone, les ignifugeants (qui permettent d'augmenter la résistance du matériau au feu), les charges renforçantes (qui augmentent la résistance mécanique), et les charges inertes (qui diminuent le prix de revient). Enfin, les lubrifiants augmentent la facilité de moulage-démoulage, tandis que les plastifiants permettent d'adapter la rigidité du plastique à l'usage souhaité. 4.4 Façonnage et finition Les techniques utilisées pour le façonnage et la finition des matières plastiques dépendent de trois facteurs : le temps, la température et la plasticité de ces substances. On emploie couramment l'extrusion, c'est-à-dire l'injection du plastique à travers une filière ayant la forme désirée au moyen d'un appareil appelé extrudeuse. Les produits extrudés, comme les tuyaux, ont une section transversale de forme régulière. L'extrudeuse sert également à effectuer d'autres opérations, comme le moulage par soufflage et le moulage par injection. Dans le moulage par soufflage, l'extrudeuse remplit le moule avec un tube, qui est ensuite coupé et bridé pour donner une forme creuse appelée paraison. La paraison chaude, fondue, est ensuite gonflée comme un ballon et plaquée contre les parois du moule à la forme désirée. Dans le moulage par injection, une ou plusieurs extrudeuses sont utilisées avec des vispistons, qui avancent pour injecter la matière fondue, puis reculent afin de réitérer le processus avec un nouvel apport de matière fondue. Dans le moulage par soufflage-injection, utilisé dans la fabrication des bouteilles d'eau minérale, la paraison est d'abord moulée par injection, puis réchauffée et soufflée. Dans le moulage par compression, on applique une pression au plastique afin de lui donner la forme souhaitée. Quelques matières plastiques, en particulier celles qui présentent une très grande résistance à la température, exigent des procédés de fabrication spécifiques. Par exemple, le polytétrafluoroéthylène a une viscosité si élevée qu'il est d'abord pressé en forme puis fritté, c'est-à-dire exposé à des températures extrêmement élevées qui l'agglutinent en une masse cohésive sans le fondre. Quelques polyamides sont produits par un procédé similaire. 5 UTILISATIONS Le domaine d'application des matières plastiques est de plus en plus vaste : 40 p. 100 des plastiques sont utilisés sous forme de plaques, feuilles, films, tubes, tuyaux ou profilés ; 30 p. 100, pour l'emballage de type flaconnage ; 18 p. 100, dans le bâtiment et les travaux publics ; 6 p. 100, dans des pièces techniques (automobiles, électricité, électroménager) ; et 6 p. 100 dans les biens de consommation (ameublement, vêtements, chaussures). 5.1 Emballage L'industrie de l'emballage est l'une des premières industries utilisatrices de matières plastiques. Une grande partie du polyéthylène basse densité (PEBD) est commercialisée en rouleaux de plastique transparent. Le polyéthylène haute densité (PEHD) est utilisé pour certains films plastiques plus épais (sacs poubelle et conteneurs). Le polypropylène, le polystyrène et le polychlorure de vinyle (PVC) interviennent dans d'autres plastiques d'emballage. Le polypropylène constitue une barrière efficace contre la vapeur d'eau. On l'utilise également dans l'équipement ménager, et sous forme fibreuse dans les tapis et les câbles. 5.2 Industrie du bâtiment L'industrie du bâtiment emploie un grand nombre de matières plastiques, notamment certaines des matières plastiques d'emballage précitées. Comme le PEHD, le PVC est utilisé dans la fabrication des tuyaux. Il est également employé sous forme de feuilles pour les matériaux de construction et d'isolation. De nombreuses matières plastiques servent à l'isolation des câbles et des fils électriques. D'autres produits en plastique entrent dans la composition des toitures, des cadres de portes et de fenêtres, des matériaux stratifiés, ainsi que dans certains moulages et outils de quincaillerie. Voir Construction. 5.3 Autres applications On emploie certaines matières plastiques, particulièrement résistantes, dans la fabrication des véhicules, pour les tubes d'admission d'air, les conduites de carburant, les pompes de carburant, etc. D'autres plastiques sont employés dans les garnitures intérieures, les sièges et le capitonnage. De nombreuses carrosseries de voitures sont en plastique renforcé par des fibres de verre. Enfin, parmi d'autres applications, on peut citer les châssis d'ordinateurs et d'appareils électroniques, les bagages, les jouets, etc. 6 SANTÉ ET ENVIRONNEMENT Les matières plastiques étant relativement inertes, les produits finis ne présentent normalement aucun danger pour la santé du fabricant ou de l'utilisateur. Toutefois, certains monomères utilisés dans la fabrication des matières plastiques se sont révélés cancérigènes, comme le benzène, qui entre dans la synthèse du Nylon. Certains rejets des industries de transformation des plastiques peuvent être très polluants s'ils ne sont pas traités. La plupart des matières plastiques synthétiques ne sont pas biodégradables et ne se décomposent pas avec le temps. Le recyclage semble être la méthode la plus efficace pour résoudre le problème de l'accumulation des déchets, mais il ne peut pas s'appliquer aux plastiques thermodurcissables, ni aux mélanges de plusieurs polymères. Vers le début des années 1990, un certain nombre de secteurs industriels (automobile, emballage) se sont engagés à employer le plus possible des plastiques recyclables, c'est-à-dire, en majorité, des thermoplastiques utilisés de façon individuelle pour éviter les problèmes de tri. Des solutions plus complexes sont à l'étude pour le recyclage des déchets des autres plastiques. Voir Déchets, traitement des. Voir aussi Caoutchouc ; Élastomères ; Macromoléculaire, chimie ; Polymères. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. 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