Propriétés des polymères

Qu'est-ce que le PEHD ?

Le premier polymère que nous examinerons est le PEHD. Le PEHD, plus connu sous le nom de polyéthylène haute densité, est une matière plastique formée de plusieurs centaines de monomères d'éthène.

Fig. 1 - Un monomère d'éthène

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

Comment fabrique-t-on le PEHD ?

Le PEHD se forme lors d'une réaction de polymérisation par addition à des températures et des pressions basses d'environ 60℃ et 2-3 atm respectivement. Un catalyseur Ziegler-Natta est utilisé. Celui-ci est constitué d'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 du PEHD

Fig. 3 - Chaînes du PEHD. Remarque qu'elles sont principalement droites et peu ramifiées.

Quelles sont les propriétés du PEHD ?

Comme les chaînes de polymères hydrocarbonés du plastique PEHD sont principalement droites et qu'il y a très peu de ramifications, les molécules peuvent se tasser étroitement les unes contre les autres. C'est ce qui 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. (Rafraîchis-toi la mémoire au sujet de cette attraction en consultant les Forces intermoléculaires). Ces forces de van der Waals signifient que le PEHD a un point de fusion élevé et qu'il est très résistant.

Qu'est-ce que le PEBD ?

Voyons maintenant ce qu'est le PEBD, le proche cousin du PEHD. Le PEBD, plus connu sous le nom de polyéthylène basse densité, est également un polymère plastique fabriqué à partir de monomères d'éthène. Cependant, ses propriétés sont bien différentes de celles du PEHD. Il est relativement faible et flexible et est donc utilisé pour les sacs de transport et les emballages alimentaires.

Comment fabrique-t-on le PEBD ?

Le PEBD se forme lors d'une réaction d'addition à des températures d'environ 200℃ 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 de PEBD. Note la forte proportion de ramifications aléatoires

Quelles sont les propriétés du PEBD ?

Comme les chaînes du PEBD sont ramifiées de façon 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 que le PVC ?

Intéressons-nous maintenant à un autre polymère d'addition. Le polychlorure de vinyle, ou PVC, est correctement connu sous le nom de poly(chloroéthène) et est un polymère fabriqué à partir de monomères de chloroéthène. Le PVC a tendance à être dur et rigide, et il est utilisé pour les tuyaux d'évacuation, l'isolation des câbles et les chaussures. En fait, c'est le troisième plastique le plus produit au monde.

Comment fabrique-t-on le 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 selon des orientations aléatoires.

Fig. 5 - Le polymère du PVC

Quelles sont les propriétés du PVC ?

En raison de la grande taille de leurs atomes de chlore et du caractère aléatoire de leur orientation, les chaînes polymères d'hydrocarbures du PVC ne peuvent pas se tasser les unes sur les autres. On pourrait s'attendre à ce que cela rende le plastique faible et léger, comme le LDPE, mais au lieu de cela, le PVC est dur et solide. C'est parce que la liaison C-Cl est polaire et qu'il y a des forces dipôle-dipôle permanentes entre les molécules, ce qui maintient les chaînes fermement ensemble.

Pour rendre le plastique plus souple, on peut y ajouter des plastifiants. Il s'agit de petites molécules qui s'insèrent entre les chaînes de polymères, les forçant à s'écarter et leur permettant de glisser les unes sur les autres. Cela réduit les forces intermoléculaires entre les chaînes et diminue la résistance du plastique. Le PVC ainsi obtenu peut ensuite être utilisé pour fabriquer des produits plus souples tels que le similicuir.

Qu'est-ce que le térylène ?

Le premier polymère de condensation que nous examinerons est le térylène. Le térylène, également connu sous le nom de PET, a pour nom propre poly(éthylène téréphtalate) et est un polymère de polyester. Il est utilisé à diverses fins, comme les vêtements et les bouteilles de boisson, et représente 18 % de la production mondiale de polymères.

Comment fabrique-t-on le 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 au cours du processus. Dans ce cas, cette petite molécule est l'eau. Sa structure est illustrée ci-dessous.

Fig. 6 - Structure du térylène

Quelles sont les 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 flexible à rigide, 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 boisson en plastique.

Qu'est-ce que le nylon ?

Lenylon est unpolymère polyamidequi a été synthétisé pour la première fois en 1935. Il est utilisé dans des produits tels que les vêtements, les brosses à dents, les emballages alimentaires et les équipements électriques, et a été le premier exemple de polymère thermoplastique. 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.

Comment fabrique-t-on le nylon ?

Le nylon est généralement formé par une réaction de polymérisation par condensation entre une amine et un acide carboxylique. La réaction libère de l'eau. 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 du Nylon

Les deux réactifs forment d'abord un sel, qui est chauffé à 350℃ sous une pression appropriée.

Le nylon peut également être formé par 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 .

Quelles sont les propriétés du nylon ?

Comme le nylon contient le groupe de liaison amide -CONH-, il subit une liaison hydrogène entre les chaînes de 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 que le Kevlar ?

Le dernier polymère que nous allons étudier est le kevlar. Le kevlar est également un polyamide. Il est extrêmement solide et léger et peut résister à des températures élevées, ce qui permet de l'utiliser dans les gilets pare-balles, les cordes d'alpinisme légères et les gants de cuisine.

Comment fabrique-t-on le kevlar ?

Le kevlar est fabriqué à partir de la réaction de polymérisation par condensation entre le benzène-1,4-diamine et l'acide benzène-1,4-dicarboxylique. Grâce à ses anneaux de benzène, il forme de longues chaînes majoritairement planes.

Fig. 10 - La structure du Kevlar

Quelles sont les propriétés du kevlar ?

Comme le nylon, le kevlar contient le groupe de liaison amide et fait donc l'objet d'une liaison hydrogène entre les chaînes. Comme ses chaînes sont rigides et le plus souvent planes, elles peuvent se serrer les unes contre les autres, ce qui augmente la force des forces intermoléculaires.

Comparaison des polymères

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

Fig. 11 - Tableau comparant les différents polymères dont nous avons parlé dans cet article.

Comment les polymères sont-ils éliminés ?

Comme nous l'avons vu plus haut, les polymères jouent de nombreux rôles dans la vie moderne et font partie de beaucoup de produits que nous utilisons au quotidien. 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.

L'élimination des plastiques fabriqués à partir d'alcènes

Les polymères tels que le polyéthène sont des hydrocarbures à longue chaîne, qui ne contiennent que des liaisons non polaires. Cela les rend non réactifs et résistants aux attaques. Leurs liaisons C-H et C-C sont très fortes et ne peuvent pas être rompues par hydrolyse ou par 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 de se débarrasser de ces plastiques.

L'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 qu'il s'agisse d'un processus lent, il peut être accéléré par l'ajout d'un catalyseur acide ou basique. L'équation générale de l'hydrolyse des polyamides est présentée ci-dessous.

Fig. 12 - Hydrolyse des polyamides

Quelles sont les alternatives à l'élimination des polymères ?

Comme de nombreux types de plastiques tels que le PVC et le polyéthylène ne peuvent pas être hydrolysés ou facilement éliminés, 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 forme de microplastiques qui sont mangés 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 minuscules granulés, 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 fini 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 décomposées facilement, une fois que tu as fini de les utiliser. L'une de ces alternatives est l'emballage fabriqué à partir de cellulose. La cellulose est un composant majeur des parois cellulaires des plantes et peut être décomposée en compost lorsqu'on s'en débarrasse.