Polymères

T'es-tu déjà interrogé sur la composition des matériaux les plus courants qui nous entourent ? Comme les gobelets et les sacs en plastique, les textiles et les tissus synthétiques, les peintures, les émaux, etc. Ce sont tous des produits à base des polymères.

Les polymères ont des propriétés physiques et chimiques. Celles-ci comprennent la résistance à la traction, la durabilité, la viscoélasticité, la réactivité, le point de fusion, la conductivité, etc. Ces propriétés permettent des utilisations variées des polymères, comme le plastique, le caoutchouc, les pièces de machines, etc.

En grec, le terme "polymère" signifie "plusieurs parties". Les polymères sont présents partout autour de nous. Du brin de notre ADN, qui est un polymère naturel, au polypropylène, utilisé dans le monde entier comme plastique.

Les propriétés des polymères sont affectées par la structure, le type d'unités monomères à partir desquelles les polymères sont formés.

• Ce résumé de cours a pour sujet les polymères.
• Nous allons commencer par définir les polymères.
• Nous examinerons la chimie et les types de polymères comme les polymères organiques et inorganiques.
• Nous verrons ensuite les propriétés des polymères.
• Enfin, nous aborderons des exemples des polymères naturels et synthétiques.

Que sont les polymères ?

On peut former des polymères de deux manières différentes :

• Les polymères d'addition sont formés à partir de monomères présentant une double liaison \( C=C \) . La double liaison se brise et se lie à un monomère adjacent pour former une longue chaîne polymère unique avec un squelette \( C-C \).

• Les polymères de condensation sont formés à partir de monomères possédant deux groupes fonctionnels différents. Lorsque ces monomères s'unissent pour former un polymère, ils perdent certains de leurs atomes, qui se combinent pour former une petite molécule appelée condensat.

Chimie des polymères

La plupart des polymères qui nous entourent sont constitués d'un squelette hydrocarboné. Un squelette d'hydrocarbure est une longue chaîne d'atomes de carbone et d'hydrogène liés, ce qui est possible en raison de la nature tétravalente du carbone.

Quelques exemples de polymères à squelette hydrocarboné sont le polypropylène, le polybutylène et le polystyrène. Il existe également des polymères qui, au lieu du carbone, comportent d'autres éléments dans leur squelette. Le nylon, par exemple, contient des atomes d'azote dans le squelette des unités répétées.

Types de polymères

Les polymères peuvent être divisés en deux catégories.

Polymères organiques

Polymères inorganiques

On trouve également de nombreux polymères inorganiques dans la nature, notamment le diamant et le graphite. Tous deux sont composés de carbone. Dans le diamant, les atomes de carbone sont liés dans un réseau tridimensionnel qui confère au matériau sa dureté. Dans le graphite, utilisé comme lubrifiant et dans les "mines" des crayons, les atomes de carbone sont liés dans des plans qui peuvent glisser les uns sur les autres.

Propriétés des polymères

Les polymères se diffèrent selon leurs propriétés physiques, chimiques et optiques.

Propriétés physiques

Plus la longueur de la chaîne et la réticulation augmentent, plus la résistance à la traction du polymère augmente.

Les polymères ne fondent pas, et ils changent d'état, passant de cristallin à semi-cristallin.

Propriétés chimiques

Les polymères avec des forces de Van der Waals reliant les chaînes sont connus pour être faibles, mais donnent au polymère un point de fusion bas.

Propriétés optiques

En raison de leur capacité à modifier leur indice de réfraction avec la température, ils sont utilisés dans les lasers pour des applications en spectroscopie et en analyse.

Quels sont les polymères naturels ?

Certains polymères naturels comprennent également l'ADN et l'ARN, ces polymères sont très importants dans tous les processus de vie de tous les organismes vivants.

Il existe de nombreux exemples de polymères naturels présents dans la nature.

Protéines et polypeptides

Les protéines sont le type de base des polymères naturels qui constituent presque tous les organismes vivants.

Collagène

Le collagène est l'un des polymères naturels et est une protéine. Il constitue le tissu conjonctif présent dans la peau des êtres humains.

Latex

Le latex est connu pour être une sorte de caoutchouc, et le caoutchouc est un polymère naturel. Ce latex existe sous les deux formes, synthétique ou naturelle.

Cellulose

La cellulose est l'un des composés organiques les plus abondants sur Terre et, de plus, la forme la plus pure de cellulose naturelle est le coton.

Amidon

L'amidon est le dérivé de la polymérisation par condensation et se compose de monomères de glucose, qui se divisent ensuite en molécules d'eau lorsqu'ils sont combinés chimiquement.

Parmi les exemples de polymères d'addition, citons le polyéthylène haute et basse densité (HDPE et LDPE respectivement) et le PVC. Parmi les exemples de polymères de condensation, citons le térylène, le nylon et le kevlar. Dans ce résumé de cours, nous allons explorer leurs structures, leurs propriétés et leurs utilisations.

Qu'est-ce que le PEHD ?

Le premier polymère que nous allons examiner est le PEHD.

Fig. 1- Un monomère d'éthène.

Le PEHD est solide et dense et est utilisé pour des produits tels que les bols à vaisselle, les tuyaux en plastique et les bouteilles de lait. Afin de comprendre ses propriétés, nous devons d'abord nous pencher sur sa formation.

Fabrication du PEHD

Le PEHD se forme lors d'une réaction de polymérisation par addition à basse température et à des pressions d'environ \( 60℃ \) et \( 2-3 atm \) respectivement. Un catalyseur Ziegler-Natta est utilisé. Celui-ci consiste en un mélange de composés de titane et d'aluminium. Ces conditions permettent d'obtenir des chaînes d'hydrocarbures longues et droites avec très peu de ramifications aléatoires.

Fig. 2- L'unité répétitive dans le PEHD.

Fig. 3- Chaînes de PEHD. Remarque : elles sont principalement droites et peu ramifiées.

Propriétés du PEHD

Étant donné que les chaînes polymères d'hydrocarbures du plastique PEHD sont principalement droites et qu'il y a très peu de ramifications, les molécules peuvent s'agglutiner étroitement. Cela rend le PEHD très dense. Il en résulte également des forces intermoléculaires plus importantes, à savoir l'attraction de Van der Waals, entre les molécules. Ces forces de van der Waals font que le PEHD a un point de fusion élevé et est très résistant.

Qu'est-ce que le PEBD ?

Toutefois, ses propriétés sont très différentes de celles du PEHD. Il est relativement faible et flexible et est donc utilisé pour les sacs de transport et les emballages alimentaires.

Fabrication du PEBD

Le PEBD est formé par une réaction d'addition à des températures d'environ \( 200°C \) et à une pression de \( 2000 \ atm \). Le mécanisme de réaction utilise des radicaux libres et entraîne une forte proportion de ramifications aléatoires le long de ses chaînes d'hydrocarbures.

Fig. 4- Chaînes PEBD. Note la forte proportion de ramifications aléatoires.

Propriétés du PEBD

Les chaînes du PEBD étant ramifiées de manière aléatoire, elles ne peuvent pas s'assembler aussi étroitement que les chaînes du PEHD. Le PEBD est donc moins dense et nettement moins résistant que le PEHD, car les forces de van der Waals entre les chaînes sont plus faibles.

Qu'est-ce qu'est le PVC ?

Le PVC a tendance à être dur et rigide, et est utilisé pour les tuyaux d'évacuation, l'isolation des câbles et les chaussures. En fait, c'est le troisième plastique le plus produit dans le monde.

Fabrication du PVC

Le PVC est formé par une réaction de polymérisation par addition. Il forme de longues chaînes d'hydrocarbures dont les atomes de chlore sont disposés de manière aléatoire.

Fig. 5- Le polymère de PVC.

Propriétés du PVC

En raison de la grande taille de leurs atomes de chlore et du caractère aléatoire de leur orientation, les chaînes de polymères hydrocarbonés du PVC ne peuvent pas s'assembler étroitement. On pourrait s'attendre à ce que cela rende le plastique faible et léger, comme le PEBD , mais au contraire, le PVC est dur et solide. Cela s'explique par le fait que la liaison \( C-Cl \) est polaire et qu'il existe des forces dipôle-dipôle permanentes entre les molécules, ce qui maintient les chaînes étroitement unies.

Pour rendre le plastique plus souple, des plastifiants peuvent être ajoutés. Il s'agit de petites molécules qui s'insèrent entre les chaînes de polymère, les forcent à s'écarter et leur permettent de glisser les unes sur les autres. Cela réduit les forces intermoléculaires entre les chaînes et diminue la résistance du plastique. Le PVC fabriqué de cette manière peut ensuite être utilisé pour fabriquer des produits plus souples tels que le simili-cuir.

Qu'est-ce qu'est le térylène ?

Il est utilisé à des fins diverses, comme les vêtements et les bouteilles de boisson, et représente \( 18 \% \) de la production mondiale de polymères.

Fabrication du Térylène

Le térylène est formé par une réaction de polymérisation par condensation entre l'acide benzène-1,4-dicarboxylique et l'éthane-1,2-diol. Il est constitué de chaînes d'hydrocarbures basées sur le groupe fonctionnel ester, \( -COO- \) . Une petite molécule est libérée dans le processus. Dans ce cas, cette petite molécule est l'eau. Sa structure est présentée ci-dessous.

Fig. 6- Fig. 6- La structure du Térylène.

Propriétés du Térylène

Le térylène possède des liaisons polaires et subit donc des forces dipôle-dipôle permanentes entre les chaînes. Ses propriétés peuvent varier, de la souplesse à la rigidité, ce qui se reflète dans la variété de ses utilisations. Par exemple, tu le trouveras dans les vêtements sous le terme générique de polyester, dans les serviettes en microfibre et les chiffons de nettoyage, et dans les bouteilles de boissons en plastique.

Qu'est-ce qu'est le Nylon ?

Il s'agit de polymères qui fondent à haute température et se resolidifient une fois refroidis, au lieu de devenir cassants et de se briser.

Fabrication du Nylon

Le nylon est généralement formé par une réaction de polymérisation par condensation entre une amine et un acide carboxylique. De l'eau est libérée lors de la réaction. Par exemple, le Nylon-6,6 est fabriqué industriellement par la réaction entre le 1,6-diaminohexane et l'acide hexane-1,6-dicarboxylique, comme indiqué ci-dessous.

Fig. 7- La structure de Nylon.

Les deux réactifs forment d'abord un sel, qui est chauffé à \( 350°C \) sous une pression adaptée.

Le nylon peut également être formé lors de la réaction entre une amine et un chlorure d'acyle. Cette réaction utilise le dichlorure d'hexanediol, a lieu à température ambiante et est beaucoup plus rapide. Dans ce cas, la petite molécule libérée est \( HCl \) .

Propriétés du Nylon

Comme le nylon contient le groupe de liaison amide, \( -CONH- \) , il présente une liaison hydrogène entre les chaînes polymères. Cela se produit entre les atomes d'hydrogène liés à l'azote et l'azote d'une chaîne adjacente. Cela augmente considérablement la résistance du nylon.

Fig. 8- Le groupe fonctionnel amide.

Fig. 9- Liaison hydrogène entre deux groupes amides.

Qu'est-ce qu'est le Kevlar ?

Fabrication du Kevlar

Le Kevlar est fabriqué à partir de la réaction de polymérisation par condensation entre la benzène-1,4-diamine et l'acide benzène-1,4-dicarboxylique. En raison de ses cycles benzéniques, il forme de longues chaînes qui sont principalement planes.

Comme le nylon, le Kevlar contient le groupe de liaison amide et connaît donc la liaison hydrogène entre les chaînes. Comme ses chaînes sont rigides et essentiellement planes, elles peuvent se serrer les unes contre les autres, ce qui augmente la force des forces intermoléculaires.

Comparaison des polymères

Oui, nous savons - cela fait beaucoup d'informations ! Pour t'aider à consolider ta compréhension, voici un tableau qui compare tous les polymères dont nous avons parlé, leur formation, leur structure et leurs propriétés.

Un tableau comparant les différents polymères abordés dans ce résumé de cours.

Élimination des polymères

Comme nous l'avons vu plus haut, les polymères jouent de nombreux rôles dans la vie moderne et entrent dans la composition de nombreux produits que nous utilisons quotidiennement. Comme nous produisons de plus en plus de plastiques et de polymères, ils s'accumulent dans l'environnement et leur élimination devient un problème de plus en plus important.

Élimination des plastiques fabriqués à partir d'alcènes

Les polymères tels que le polyéthylène sont des hydrocarbures à longue chaîne, ne contenant que des liaisons non polaires. Cela les rend peu réactifs et résistants aux attaques. Leurs liaisons \( C-H \) et \( C-C \) sont très fortes et ne peuvent être décomposées par hydrolyse ou d'autres réactions courantes. Bien qu'ils puissent être brûlés, cela libère du dioxyde de carbone et d'autres polluants nocifs comme les particules de carbone, le monoxyde de carbone et les vapeurs de styrène. Il n'existe donc pas de moyen simple d'éliminer ces plastiques.

Élimination des polyesters et des polyamides

Contrairement aux plastiques tels que le polyéthylène, les polyesters et les polyamides peuvent être décomposés par hydrolyse en acides carboxyliques et en alcools ou amines respectivement. Bien que ce processus soit lent, il peut être accéléré par l'ajout d'un catalyseur acide ou basique. Une équation générale pour l'hydrolyse des polyamides est présentée ci-dessous.

Fig. 11- Hydrolyse des polyamides.

Alternatives à l'élimination des polymères

Étant donné que de nombreux types de plastiques, comme le PVC et le polyéthylène, ne peuvent être hydrolysés ou éliminés facilement, leurs niveaux dans l'environnement ont augmenté depuis leur introduction. Ils peuvent polluer les écosystèmes et peuvent même se retrouver dans la chaîne alimentaire, sous la forme de microplastiques consommés par les petits animaux ou les poissons. Une solution à ce problème est le recyclage.

• Dans le recyclage mécanique, les plastiques sont triés, broyés en petites boulettes, puis fondus et remoulés.

• Dans le recyclage des matières premières, les plastiques sont chauffés à haute température pour les décomposer en monomères. Ceux-ci peuvent ensuite être reformés en nouveaux polymères.

Cependant, le recyclage des plastiques a ses limites. Par exemple, les chaînes de polymères peuvent être endommagées par chaque chauffage ultérieur et deviennent donc de plus en plus courtes. Cela signifie que le plastique ne peut être recyclé qu'un nombre limité de fois avant de devenir inutilisable. La solution la plus durable consiste à se détourner des plastiques dérivés du pétrole brut et à développer des alternatives à partir de ressources renouvelables qui peuvent être facilement dégradées, une fois que tu n'en as plus besoin. L'une de ces alternatives est l'emballage en cellulose. La cellulose est un composant majeur des parois cellulaires des plantes et peut être décomposée en compost une fois jetée.