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Plastiques
- Les thermoplastiques se ramolliront et fondront si suffisamment de chaleur est appliquée ; des exemples sont le polyéthylène, le polystyrène et le PTFE.
- Les thermodurcissables ne ramollissent pas et ne fondent pas, quelle que soit la quantité de chaleur appliquée. Exemples : Micarta, GPO, G-10
  
  Aperçu:
  Les plastiques peuvent être classés selon leur structure chimique, à savoir les unités moléculaires qui constituent le squelette et les chaînes latérales du polymère. Certains groupes importants dans ces classifications sont les acryliques, les polyesters, les silicones, les polyuréthanes et les plastiques halogénés. Les plastiques peuvent également être classés selon le procédé chimique utilisé dans leur synthèse ; par exemple, comme la condensation, la polyaddition, la réticulation, etc. D'autres classifications sont basées sur des qualités pertinentes pour la fabrication ou la conception du produit. Des exemples de telles classes sont les thermoplastiques et thermodurcissables, les élastomères, les structurels, les biodégradables, les conducteurs d'électricité, etc. Les plastiques peuvent également être classés selon diverses propriétés physiques, telles que la densité, la résistance à la traction, la température de transition vitreuse, la résistance à divers produits chimiques, etc. En raison de leur coût relativement faible, de leur facilité de fabrication, de leur polyvalence et de leur imperméabilité à l’eau, les plastiques sont utilisés dans une gamme vaste et croissante de produits, des trombones aux vaisseaux spatiaux. Ils ont déjà remplacé de nombreux matériaux traditionnels, comme le bois ; pierre; corne et os; cuir; papier; métal; verre; et la céramique, dans la plupart de leurs anciennes utilisations. L’utilisation des plastiques est principalement limitée par leur chimie organique, qui limite sérieusement leur dureté, leur densité et leur capacité à résister à la chaleur, aux solvants organiques, à l’oxydation et aux rayonnements ionisants. En particulier, la plupart des plastiques fondent ou se décomposent lorsqu’ils sont chauffés à quelques centaines de degrés Celsius. Bien que les plastiques puissent être rendus électriquement conducteurs dans une certaine mesure, ils ne font toujours pas le poids face aux métaux comme le cuivre ou l'aluminium. [citation nécessaire] Les plastiques sont encore trop chers pour remplacer le bois, le béton et la céramique dans des objets volumineux comme les bâtiments ordinaires, les ponts, les barrages, trottoir, traverses de chemin de fer, etc.
  
  Structure chimique:
  Les thermoplastiques courants ont une masse moléculaire comprise entre 20 000 et 500 000, tandis que les thermodurcissables sont supposés avoir un poids moléculaire infini. Ces chaînes sont constituées de nombreuses unités moléculaires répétitives, appelées unités répétitives, dérivées de monomères ; chaque chaîne polymère aura plusieurs milliers d’unités répétitives. La grande majorité des plastiques sont composés de polymères de carbone et d’hydrogène seuls ou avec de l’oxygène, de l’azote, du chlore ou du soufre dans leur squelette. (Certains intérêts commerciaux sont basés sur le silicium.) L'épine dorsale est la partie de la chaîne sur le « chemin » principal reliant un grand nombre d'unités répétitives entre elles. Pour faire varier les propriétés des plastiques, les unités répétitives avec différents groupes moléculaires sont « suspendues » ou « pendantes » au squelette (généralement, elles sont « suspendues » en tant que partie des monomères avant de relier les monomères entre eux pour former la chaîne polymère). Cette personnalisation de la structure moléculaire des unités répétitives a permis aux plastiques de devenir un élément indispensable de la vie au XXIe siècle en affinant les propriétés du polymère.
  
  Certains plastiques ont une structure moléculaire partiellement cristalline et partiellement amorphe, ce qui leur confère à la fois un point de fusion (la température à laquelle les forces intermoléculaires attractives sont surmontées) et une ou plusieurs transitions vitreuses (des températures au-dessus desquelles le degré de flexibilité moléculaire localisée est considérablement augmenté) . Les plastiques dits semi-cristallins comprennent le polyéthylène, le polypropylène, le poly(chlorure de vinyle), les polyamides (nylons), les polyesters et certains polyuréthanes. De nombreux plastiques sont complètement amorphes, comme le polystyrène et ses copolymères, le poly(méthacrylate de méthyle), et tous les thermodurcissables.
  
  Histoire des plastiques :
  Le premier plastique fabriqué par l'homme a été inventé par Alexander Parkes en 1855 ; il a appelé ce plastique Parkesine (appelé plus tard celluloïd). Le développement des plastiques est passé de l'utilisation de matières plastiques naturelles (ex. chewing-gum, gomme-laque) à l'utilisation de matériaux naturels chimiquement modifiés (ex. caoutchouc, nitrocellulose, collagène, galalite) et enfin à des molécules entièrement synthétiques (ex. bakélite). , époxy, chlorure de polyvinyle, polyéthylène).
  
  Types de plastiques :
  Plastiques à base de cellulose
  En 1855, un Anglais de Birmingham nommé Alexander Parkes développa un substitut synthétique à l'ivoire qu'il commercialisa sous le nom commercial Parkesine et qui remporta une médaille de bronze à l'Exposition universelle de Londres de 1862. La Parkésine était fabriquée à partir de cellulose (le composant majeur des parois cellulaires végétales) traitée avec de l'acide nitrique et un solvant. Le résultat du processus (communément appelé nitrate de cellulose ou pyroxiline) pourrait être dissous dans de l'alcool et durci en un matériau transparent et élastique qui pourrait être moulé lorsqu'il est chauffé. En incorporant des pigments dans le produit, il pourrait ressembler à de l’ivoire.
  
  Bakélite®
  Le premier plastique à base de polymère synthétique a été fabriqué à partir de phénol et de formaldéhyde, avec les premières méthodes de synthèse viables et bon marché inventées en 1909 par Leo Hendrik Baekeland, un Américain d'origine belge vivant dans l'État de New York. Baekeland recherchait une gomme-laque isolante pour recouvrir les fils des moteurs électriques et des générateurs. Il a découvert que les mélanges de phénol (C6H5OH) et de formaldéhyde (HCOH) formaient une masse collante lorsqu'ils étaient mélangés et chauffés, et que la masse devenait extrêmement dure si on la laissait refroidir. Il poursuivit ses investigations et découvrit que le matériau pouvait être mélangé à de la farine de bois, de l'amiante ou de la poussière d'ardoise pour créer des matériaux « composites » aux propriétés différentes. La plupart de ces compositions étaient solides et résistantes au feu. Le seul problème était que le matériau avait tendance à mousser lors de la synthèse et que le produit obtenu était d'une qualité inacceptable. Baekeland a construit des récipients sous pression pour expulser les bulles et fournir un produit lisse et uniforme. Il annonça publiquement sa découverte en 1912, la nommant bakélite. Il était à l’origine utilisé pour les pièces électriques et mécaniques, pour finalement être largement utilisé dans les biens de consommation dans les années 1920. Lorsque le brevet de la bakélite a expiré en 1930, la Catalin Corporation a acquis le brevet et a commencé à fabriquer du plastique Catalin en utilisant un procédé différent permettant une plus large gamme de colorations. La bakélite fut le premier véritable plastique. Il s’agissait d’un matériau purement synthétique, qui ne reposait sur aucun matériau ni même aucune molécule trouvée dans la nature. C'était aussi le premier plastique thermodurcissable. Les thermoplastiques conventionnels peuvent être moulés puis fondus à nouveau, mais les plastiques thermodurcis forment des liaisons entre les brins de polymères une fois durcis, créant ainsi une matrice enchevêtrée qui ne peut être défaite sans détruire le plastique. Les plastiques thermodurcis sont solides et résistants à la température. Bakelite® était bon marché, solide et durable. Il a été moulé sous des milliers de formes, telles que des radios, des téléphones, des horloges et des boules de billard. Les plastiques phénoliques ont été largement remplacés par des plastiques moins chers et moins cassants, mais ils sont toujours utilisés dans des applications nécessitant leurs propriétés isolantes et résistantes à la chaleur. Par exemple, certaines cartes de circuits électroniques sont constituées de feuilles de papier ou de tissu imprégnées de résine phénolique. Bakelite® est désormais une marque déposée de Bakelite GmbH.
  
  Polystyrène et PVC
  Après la Première Guerre mondiale, les progrès de la technologie chimique ont entraîné une explosion de nouvelles formes de plastiques. Parmi les premiers exemples de la vague de nouveaux plastiques figurent le polystyrène (PS) et le polychlorure de vinyle (PVC), développés par l'IG Farben d'Allemagne. Le polystyrène est un plastique rigide, cassant et peu coûteux qui a été utilisé pour fabriquer des maquettes en plastique et des bibelots similaires. Il servirait également de base à l'un des plastiques « mousses » les plus populaires, sous le nom de mousse de styrène ou Styrofoam. Les mousses plastiques peuvent être synthétisées sous forme de « cellules ouvertes », dans laquelle les bulles de mousse sont interconnectées, comme dans une éponge absorbante, et de « cellules fermées », dans lesquelles toutes les bulles sont distinctes, comme de minuscules ballons, comme dans des mousses remplies de gaz. mousse isolante et dispositifs de flottaison. À la fin des années 1950, le styrène à fort impact a été introduit, qui n'était pas cassant. Il trouve une utilisation très courante comme substance de signalisation, de plateaux, de figurines et de nouveautés. Le PVC possède des chaînes latérales incorporant des atomes de chlore, qui forment des liaisons fortes. Le PVC sous sa forme normale est rigide, solide, résistant à la chaleur et aux intempéries. et est maintenant utilisé pour fabriquer de la plomberie, des gouttières, des revêtements de maison, des boîtiers pour ordinateurs et autres équipements électroniques. Le PVC peut également être ramolli par un traitement chimique et, sous cette forme, il est désormais utilisé pour le film rétractable, les emballages alimentaires et les vêtements de pluie.
  
  Nylon
  La véritable star de l'industrie du plastique dans les années 1930 était le polyamide (PA), bien plus connu sous son nom commercial de nylon. Le nylon a été la première fibre purement synthétique introduite par DuPont Corporation à l'Exposition universelle de 1939 à New York. En 1927, DuPont avait lancé un projet de développement secret appelé Fiber66, sous la direction du chimiste de Harvard Wallace Carothers et du directeur du département de chimie Elmer Keizer Bolton. Carothers avait été embauché pour effectuer des recherches pures et il s'efforçait de comprendre la structure moléculaire et les propriétés physiques des nouveaux matériaux. Il a fait quelques-uns des premiers pas dans la conception moléculaire des matériaux. Ses travaux ont conduit à la découverte de la fibre synthétique de nylon, très résistante mais aussi très flexible. La première application concernait les poils des brosses à dents. Cependant, la véritable cible de Du Pont était la soie, en particulier les bas de soie. Carothers et son équipe ont synthétisé un certain nombre de polyamides différents, dont les polyamides 6.6 et 4.6, ainsi que des polyesters. Il a fallu douze ans et 27 millions de dollars à DuPont pour raffiner le nylon, ainsi que pour synthétiser et développer les processus industriels de fabrication en vrac. Avec un investissement aussi important, il n'est pas surprenant que Du Pont ait épargné peu d'argent pour promouvoir le nylon après son introduction, créant ainsi une sensation publique, ou « nylon mania ». La folie du nylon s'est arrêtée brusquement à la fin de 1941, lorsque les États-Unis sont entrés dans la Seconde Guerre mondiale. La capacité de production qui avait été construite pour produire des bas en nylon, ou simplement des nylons, pour les femmes américaines a été reprise pour fabriquer un grand nombre de parachutes pour les aviateurs et les parachutistes. Après la fin de la guerre, DuPont a recommencé à vendre du nylon au public, s'engageant dans une autre campagne promotionnelle en 1946 qui a abouti à un engouement encore plus grand, déclenchant les soi-disant émeutes du nylon. Par la suite, les polyamides 6, 10, 11 et 12 ont été développés à base de monomères qui sont des composés cycliques ; par exemple, le caprolactame. Le nylon 66 est un matériau fabriqué par polymérisation par condensation. Les nylons restent des plastiques importants, et pas seulement destinés à être utilisés dans les tissus. Sous sa forme massive, il est très résistant à l'usure, en particulier s'il est imprégné d'huile, et est donc utilisé pour construire des engrenages, des roulements, des bagues et, en raison de sa bonne résistance à la chaleur, de plus en plus pour les applications sous le capot des voitures et autres pièces mécaniques. les pièces.
  
  Caoutchouc naturel
  Le caoutchouc naturel est un élastomère (un polymère élastique d’hydrocarbure) dérivé à l’origine du latex, une suspension colloïdale laiteuse présente dans la sève de certaines plantes. Il est utile directement sous cette forme (en effet, la première apparition du caoutchouc en Europe est un tissu imperméabilisé avec du latex non vulcanisé du Brésil) mais, plus tard, en 1839, Charles Goodyear inventa le caoutchouc vulcanisé ; il s'agit d'une forme de caoutchouc naturel chauffé avec, principalement, du soufre, formant des liaisons croisées entre les chaînes polymères (vulcanisation), améliorant ainsi l'élasticité et la durabilité. Le plastique est très connu dans ces domaines.
  
  Caoutchouc synthétique
  Le premier caoutchouc entièrement synthétique a été synthétisé par Lebedev en 1910. Au cours de la Seconde Guerre mondiale, les blocus de l'approvisionnement en caoutchouc naturel en provenance d'Asie du Sud-Est ont provoqué un boom du développement du caoutchouc synthétique, notamment du caoutchouc styrène-butadiène (alias caoutchouc-styrène gouvernemental). En 1941, la production annuelle de caoutchouc synthétique aux États-Unis n'était que de 231 tonnes, contre 840 000 tonnes en 1945. Dans la course à l'espace et aux armements nucléaires, les chercheurs de Caltech ont expérimenté l'utilisation de caoutchoucs synthétiques comme combustible solide pour les fusées. En fin de compte, toutes les grandes fusées et missiles militaires utiliseraient des combustibles solides à base de caoutchouc synthétique et joueraient également un rôle important dans l’effort spatial civil.
  
  Polyméthacrylate de méthyle (PMMA), mieux connu sous le nom de plexiglas acrylique . Bien que les acryliques soient maintenant bien connus pour leur utilisation dans les peintures et les fibres synthétiques, telles que les fausses fourrures, sous leur forme massive, ils sont en réalité très durs et plus transparents que le verre, et sont vendus comme substituts du verre sous des noms commerciaux tels que Acrylite , Perspex, Plexiglas et Lucite . Ceux-ci ont été utilisés pour construire des auvents d'avions pendant la guerre, et leur principale application aujourd'hui concerne les grandes enseignes lumineuses telles que celles utilisées dans les devantures de magasins ou à l'intérieur des grands magasins, et pour la fabrication de baignoires formées sous vide.
  
  Le polyéthylène (PE) , parfois appelé polyéthylène, a été découvert en 1933 par Reginald Gibson et Eric Fawcett chez le géant industriel britannique Imperial Chemical. Industries (ICI). Ce matériau a évolué sous deux formes, le polyéthylène basse densité (LDPE) et le polyéthylène haute densité (HDPE) . Les PE sont bon marché, flexibles, durables et résistants aux produits chimiques. Le LDPE est utilisé pour fabriquer des films et des matériaux d'emballage, tandis que le HDPE est utilisé pour les conteneurs, la plomberie et les raccords automobiles. Bien que le PE ait une faible résistance aux attaques chimiques, il a été découvert plus tard qu'un conteneur en PE pouvait être rendu beaucoup plus robuste en l'exposant au fluor gazeux, ce qui modifiait la couche superficielle du conteneur en polyfluoroéthylène beaucoup plus résistant.
  
  Le polypropylène (PP) , découvert au début des années 1950 par Giulio Natta. Il est courant dans la science et la technologie modernes que la croissance du corpus général des connaissances puisse conduire aux mêmes inventions dans différents endroits et à peu près au même moment, mais le polypropylène était un cas extrême de ce phénomène, étant inventé séparément environ neuf fois. Le litige qui a suivi n'a été résolu qu'en 1989. Le polypropylène a réussi à survivre au processus judiciaire et deux chimistes américains travaillant pour Phillips Petroleum, J. Paul Hogan et Robert Banks, sont désormais généralement considérés comme les principaux inventeurs de ce matériau. Le polypropylène est similaire à son ancêtre, le polyéthylène, et partage le faible coût du polyéthylène, mais il est beaucoup plus robuste. Il est utilisé dans tout, des bouteilles en plastique aux tapis en passant par les meubles en plastique, et est très utilisé dans les automobiles.
  
  Le polyuréthane (PU) a été inventé par Friedrich Bayer & Company en 1937 et sera utilisé après la guerre, sous forme soufflée pour les matelas, le rembourrage des meubles et l'isolation thermique. C'est également l'un des composants (sous forme non soufflée) de la fibre spandex.
  
  Époxy - En 1939, IG Farben a déposé un brevet pour le polyépoxyde ou époxy. Les époxy sont une classe de plastique thermodurci qui forme des liaisons croisées et durcit lorsqu'un agent catalyseur, ou durcisseur, est ajouté. Après la guerre, ils furent largement utilisés pour les revêtements, les adhésifs et les matériaux composites. Les composites utilisant de l'époxy comme matrice comprennent le plastique renforcé de verre, où l'élément structurel est de la fibre de verre, et les composites carbone-époxy, dans lesquels l'élément structurel est de la fibre de carbone. La fibre de verre est désormais souvent utilisée pour construire des bateaux de sport, et les composites carbone-époxy constituent un élément structurel de plus en plus important dans les avions, car ils sont légers, solides et résistants à la chaleur.
  
  PET, PETE, PETG , PET-P (polyéthylène téréphtalate)
  Deux chimistes nommés Rex Whinfield et James Dickson, travaillant dans une petite entreprise anglaise au nom pittoresque de Calico Printer's Association à Manchester, ont développé le polyéthylène téréphtalate (PET ou PETE) en 1941, et il serait utilisé pour les fibres synthétiques dans l'après-guerre. , avec des noms tels que polyester, dacron et térylène. Le PET est moins perméable aux gaz que les autres plastiques bon marché et constitue donc un matériau populaire pour fabriquer des bouteilles de Coca-Cola et d'autres boissons gazeuses, car la carbonatation a tendance à attaquer d'autres plastiques, ainsi que pour les boissons acides telles que les jus de fruits ou de légumes. Le PET est également solide et résistant à l’abrasion et est utilisé pour fabriquer des pièces mécaniques, des plateaux alimentaires et d’autres articles soumis à des abus. Les films PET sont utilisés comme base pour les bandes d'enregistrement.
  
  PTFE (polytétrafluoroéthylène) (alias Teflon®)
  L'un des plastiques les plus impressionnants utilisés pendant la guerre et un secret top secret était le polytétrafluoroéthylène (PTFE), mieux connu sous le nom de Téflon, qui pouvait être déposé sur les surfaces métalliques comme revêtement protecteur à faible frottement et anti-rayures. La couche superficielle de polyfluoroéthylène créée en exposant un récipient en polyéthylène au fluor gazeux est très similaire au téflon. Un chimiste de DuPont, Roy Plunkett, a découvert le téflon par accident en 1938. Pendant la guerre, il était utilisé dans des procédés de diffusion gazeuse pour raffiner l'uranium destiné à la bombe atomique, car ce procédé était très corrosif. Au début des années 1960, les poêles à frire en téflon résistantes à l'adhérence étaient très demandées.
  
  Polycarbonate - Lexan est un polycarbonate à fort impact développé à l'origine par General Electric. Makrolon® et Tuffak sont des noms commerciaux de plastique polycarbonate à fort impact fabriqué par Plaskolite.
  
  Plastiques biodégradables (compostables)
  Des recherches ont été menées sur les plastiques biodégradables qui se décomposent sous l'effet de l'exposition au soleil (par exemple, rayonnement ultraviolet), à l'eau ou à l'humidité, aux bactéries, aux enzymes, à l'abrasion du vent et, dans certains cas, aux attaques de rongeurs ou d'insectes. comme des formes de biodégradation ou de dégradation de l’environnement. Il est clair que certains de ces modes de dégradation ne fonctionneront que si le plastique est exposé à la surface, tandis que d’autres modes ne seront efficaces que si certaines conditions existent dans les systèmes de décharge ou de compostage. La poudre d'amidon a été mélangée avec du plastique comme charge pour lui permettre de se dégrader plus facilement, mais cela n'entraîne toujours pas une dégradation complète du plastique. Certains chercheurs ont en fait modifié génétiquement des bactéries qui synthétisent un plastique entièrement biodégradable, mais ce matériau, comme le Biopol, est actuellement coûteux. L'entreprise chimique allemande BASF fabrique Ecoflex, un polyester entièrement biodégradable destiné aux applications d'emballage alimentaire. Gehr Plastics a développé ECOGEHR , une gamme complète de formes bio-polymères distribuées par Professional Plastiques.
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