Comment Fonctionnent Les Plastiques

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Les plastiques peuvent être trouvés dans une grande variété de produits. Ils sont partout. Découvrez comment les plastiques sont fabriqués et découvrez les utilisations possibles des plastiques.

Les plastiques sont partout. Pendant que vous lisez cet article, de nombreux objets en plastique sont probablement à portée de main (votre ordinateur, votre stylo, votre téléphone). Un plastique est un matériau qui peut être façonné ou moulé sous n'importe quelle forme - certaines sont naturelles, mais la plupart sont synthétiques.

Les plastiques sont fabriqués à partir d'huile. Le pétrole est une matière première riche en carbone, et les plastiques sont de gros composés contenant du carbone. Ce sont de grosses molécules appelées des polymères, qui sont composés d’unités répétitives de composés plus courts contenant du carbone, appelés les monomères. Les chimistes associent différents types de monomères dans de nombreux agencements pour créer une variété presque infinie de plastiques aux propriétés chimiques différentes. La plupart des plastiques sont chimiquement inertes et ne réagissent pas avec d’autres substances. Vous pouvez stocker de l’alcool, du savon, de l’eau, de l’acide ou de l’essence dans un récipient en plastique sans le dissoudre. Le plastique peut être moulé dans une variété presque infinie de formes, de sorte que vous pouvez le trouver dans des jouets, des tasses, des bouteilles, des ustensiles, des câbles, des voitures, même dans du bubble-gum. Les plastiques ont révolutionné le monde.

Parce que le plastique ne réagit pas chimiquement avec la plupart des autres substances, il ne se décompose pas. Par conséquent, l'élimination des plastiques pose un problème environnemental difficile et important. Le plastique traîne dans l’environnement pendant des siècles. Le recyclage est donc la meilleure méthode d’élimination. Cependant, de nouvelles technologies sont en cours de développement pour fabriquer du plastique à partir de substances biologiques telles que l'huile de maïs. Ces types de plastiques seraient biodégradables et meilleurs pour l'environnement.

Dans cet article, nous examinerons la chimie du plastique, sa fabrication, son utilisation, son élimination et son recyclage. Nous examinerons également quelques nouveaux plastiques à base biologique et leur rôle dans l'avenir du plastique.

Histoire des plastiques

Un téléphone en bakélite

Un téléphone en bakélite dans "100 Years of Plastic" au Science Museum de Londres en 2007. L'exposition était une célébration des plastiques coïncidant avec le 100e anniversaire de l'invention du bakélite par Leo Baekeland.

Avant l'invention du plastique, les seules substances pouvant être moulées étaient les argiles (poterie) et le verre. De l'argile durcie et du verre étaient utilisés pour le stockage, mais ils étaient lourds et cassants. Certaines substances naturelles, telles que la gomme d'arbre et le caoutchouc, étaient collantes et moulables. Le caoutchouc n’était pas très utile pour le stockage car il finissait par perdre sa capacité à se remettre en forme et devenait collant à la chaleur.

En 1839, Charles Goodyear découvrit accidentellement un processus dans lequel le soufre réagissait avec le caoutchouc brut lorsqu'il était chauffé puis refroidi. Le caoutchouc est devenu résistant au refroidissement - il pouvait s’étirer, mais il a retrouvé sa forme initiale. Il a également conservé sa résilience lorsqu'il est chauffé. Nous savons maintenant que le soufre forme des liaisons chimiques entre des brins de polymère de caoutchouc adjacents. Les liaisons réticulent les brins de polymère, leur permettant de "revenir en arrière" une fois étirées. Charles Goodyear avait découvert le processus maintenant connu sous le nom vulcanisation, ce qui rend le caoutchouc plus durable.

En 1846, Charles Schonbein, un chimiste suisse, découvrit accidentellement un autre polymère en déversant un mélange d’acide nitrique et d’acide sulfurique sur du coton. Une réaction chimique s'est produite dans laquelle les groupes hydroxyle des fibres de cellulose du coton ont été convertis en groupes nitrate catalysés par le soufre. Le polymère résultant, la nitrocellulose, pourrait exploser en une flamme sans fumée et a été utilisé par les militaires à la place de la poudre à canon. En 1870, le chimiste John Hyatt fit réagir la nitrocellulose avec du camphre pour produire celluloïd, un polymère plastique utilisé dans les pellicules photographiques, les balles de billard, les plaques dentaires et les balles de ping-pong.

En 1909, un chimiste nommé Leo Baekeland synthétisa Bakélite, le premier polymère véritablement synthétique, issu d’un mélange de phénol et de formaldéhyde. La réaction de condensation entre ces monomères permet au formaldéhyde de lier les cycles phénoliques en polymères rigides tridimensionnels. Ainsi, la bakélite peut être moulée à chaud et solidifiée en un plastique dur qui peut être utilisé pour les poignées, les téléphones, les pièces automobiles, les meubles et même les bijoux. La bakélite est dure, résistante à la chaleur et à l'électricité, et ne peut pas être facilement fondue ou brûlée une fois refroidie. L’invention de la bakélite a donné naissance à toute une classe de plastiques aux propriétés similaires, connus sous le nom de résines phénoliques.

Dans les années 1930, un chimiste de Dupont, Wallace Carruthers, a inventé un polymère plastique fabriqué à partir de la condensation de l’acide adipique et d’un certain type de monomères du diaminohexane pouvant être étirés en fibres solides, comme la soie. Ce plastique est devenu connu sous le nom nylon. Le nylon est léger, solide et durable et est devenu la base de nombreux types de vêtements, couvertures (tentes), bagages, sacs et cordes.

L’utilisation de ces premiers polymères s’est généralisée après la Seconde Guerre mondiale et se poursuit aujourd’hui. Ils ont conduit à la création de nombreux autres plastiques, comme le Dacron, le polystyrène, le polystyrène, le polyéthylène et le vinyle.

Dans les deux prochaines sections, nous étudierons la chimie du plastique.

Apprêt plastique

Nous étudierons tous ces points plus en détail ultérieurement, mais pour l'instant, voici quelques informations utiles sur la structure des plastiques.

  • Les plastiques sont des polymères, de grosses molécules constituées d'unités répétitives de plus petites molécules (monomères) liées chimiquement. Un polymère est comme une chaîne dans laquelle chaque lien est un monomère.
  • Tout le plastique est en carbone. Le plastique synthétique utilise du carbone dérivé du pétrole, tandis que les biopolymères ou les bioplastiques utilisent du carbone dérivé de matériaux naturels.
  • Les monomères se combinent de plusieurs manières pour former les polymères des plastiques. L'une est une réaction de condensation, où deux molécules se combinent et une molécule plus petite - généralement de l'eau, un alcool ou un acide - est perdue.

Chimie des plastiques

Comment fonctionnent les plastiques: plastiques

Tous les plastiques sont des polymères, mais tous les polymères ne sont pas des plastiques. Parmi les polymères non plastiques bien connus figurent les amidons (polymères de sucres), les protéines (polymères d'acides aminés) et l'ADN (polymères de nucléotides - voir Comment fonctionne l'ADN). Le diagramme simplifié ci-dessous montre la relation entre les monomères et les polymères. Des monomères identiques peuvent se combiner les uns aux autres pour former les homopolymères, qui peuvent être des chaînes droites ou ramifiées. Différents monomères peuvent se combiner pour former des copolymères, qui peut aussi être ramifié ou droit.

Les propriétés chimiques d'un polymère dépendent de:

  • Le type de monomère ou de monomères qui composent le polymère. Les propriétés chimiques de l'homopolymère 1 sont différentes de celles de l'homopolymère 2 ou des copolymères.
  • La disposition des monomères dans le polymère. Les propriétés chimiques des polymères simples sont différentes de celles des polymères ramifiés.

Les monomères que l'on trouve dans de nombreux plastiques comprennent des composés organiques tels que l'éthylène, le propylène, le styrène, le phénol, le formaldéhyde, l'éthylène glycol, le chlorure de vinyle et l'acétonitrile (nous en examinerons plusieurs lors de la discussion sur divers plastiques). Parce qu'il y a tellement de monomères différents qui peuvent être combinés de différentes manières, nous pouvons fabriquer de nombreux types de plastiques.

Réactions de condensation et d'addition

Comment fonctionnent les plastiques: plastique

Les monomères se combinent de plusieurs manières pour former les polymères des plastiques. Une méthode est un type de réaction chimique appelée condensation réaction. Dans une réaction de condensation, deux molécules se combinent avec la perte d'une molécule plus petite, généralement de l'eau, un alcool ou un acide. Pour comprendre les réactions de condensation, examinons une autre réaction hypothétique du polymère.

Les monomères 1 et 2 ont tous deux des groupes hydrogène (H) et hydroxyle (OH). Lorsqu'ils viennent avec un catalyseur approprié (un atome ou une molécule qui accélère la réaction chimique sans y être utilisé), un monomère perd un hydrogène tandis que l'autre perd un groupe hydroxyle. Les groupes hydrogène et hydroxyle se combinent pour former de l'eau (H2O), et les électrons restants forment une liaison chimique covalente entre les monomères. Le composé résultant est la sous-unité de base des copolymères 1 et 2. Cette réaction se répète jusqu'à ce que vous obteniez une longue chaîne de copolymères 1 et 2.

Une autre façon pour les monomères de se combiner pour former des polymères consiste à: réactions d'addition. Les réactions d'addition impliquent un réarrangement des électrons des doubles liaisons dans un monomère pour former des liaisons simples avec d'autres molécules. Imaginez que deux personnes (chacun un monomère) se tiennent rapprochées et que chaque personne ait les bras croisés (double liaison). Ensuite, ils déploient leurs bras et se tiennent la main (lien simple). Les deux personnes fabriquent maintenant un polymère et le processus peut être répété.

Différentes chaînes de polymères peuvent interagir et se réticuler en formant des liaisons fortes ou faibles entre des monomères sur différentes chaînes de polymères. Cette interaction entre les chaînes de polymères contribue aux propriétés de plastiques spécifiques (mous / durs, élastiques / rigides, transparents / opaques, chimiquement inertes).

Nous allons maintenant en apprendre davantage sur les différents types de plastique.

Types de plastiques

Les gobelets en polystyrène sont d'excellents isolants pour les liquides chauds.

Les gobelets en polystyrène sont d'excellents isolants pour les liquides chauds.

Les plastiques peuvent être divisés en deux grandes catégories:

1. Plastiques thermodurcissables ou thermodurcissables. Une fois refroidis et durcis, ces plastiques conservent leurs formes et ne peuvent pas reprendre leur forme d'origine. Ils sont durs et durables. Les thermodurcissables peuvent être utilisés pour les pièces automobiles, les pièces d'avion et les pneus. Les exemples incluent les polyuréthannes, les polyesters, les résines époxy et les résines phénoliques.

2. Thermoplastiques. Moins rigides que les thermodurcissables, les thermoplastiques peuvent se ramollir lors du chauffage et retrouver leur forme d'origine. Ils sont facilement moulés et extrudés en films, fibres et emballages. Les exemples incluent le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP) et le polychlorure de vinyle (PVC).

Regardons quelques plastiques courants.

Polyéthylène téréphtalate (PET ou PETE): John Rex Whinfield a inventé un nouveau polymère en 1941 lorsqu'il a condensé l'éthylène glycol avec de l'acide téréphtalique. Le condensat était du polyéthylène téréphtalate (PET ou PETE). Le PET est un thermoplastique pouvant être entraîné dans des fibres (comme le Dacron) et des films (comme le Mylar). C'est le plastique principal des sacs de rangement des aliments ziploc.

Polystyrène (polystyrène): Le polystyrène est formé par les molécules de styrène. La double liaison entre les parties CH2 et CH de la molécule se réorganise pour former une liaison avec des molécules de styrène adjacentes, produisant ainsi du polystyrène. Il peut former un plastique résistant aux chocs pour les meubles, les armoires (pour les écrans d’ordinateur et les téléviseurs), les verres et les ustensiles. Lorsque le polystyrène est chauffé et que de l’air est insufflé dans le mélange, il se forme polystyrène. La mousse de polystyrène est légère, moulable et un excellent isolant.

Polychlorure de vinyle (PVC): Le PVC est un thermoplastique qui se forme lors de la polymérisation du chlorure de vinyle (CH2 = CH-Cl). Une fois fabriqué, il est fragile. Les fabricants ajoutent donc un plastifiant liquide qui le rendra souple et moulable. Le PVC est couramment utilisé pour les tuyaux et la plomberie, car il est durable, ne peut être corrodé et coûte moins cher que les tuyaux en métal. Cependant, sur de longues périodes, le plastifiant peut en sortir par lixiviation, le rendant fragile et cassant.

Polytétrafluoroéthylène (téflon): Le téflon a été fabriqué en 1938 par DuPont. Il est créé par la polymérisation de molécules de tétrafluoroéthylène (CF2 = CF2). Le polymère est stable, résistant à la chaleur, fort, à de nombreux produits chimiques et présente une surface presque sans frottement. Le téflon est utilisé dans les rubans de plomberie, les ustensiles de cuisine, les tubes, les revêtements imperméables, les films et les roulements.

Chlorure de polyvinylidine (Saran): Dow fabrique des résines Saran, qui sont synthétisées par polymérisation de molécules de chlorure de vinylidine (CH2 = CC12). Le polymère peut être entraîné dans des films et des emballages imperméables aux odeurs d'aliments. Saran Wrap est un plastique populaire pour l'emballage des aliments.

Polyéthylène, LDPE et HDPE: Le polymère le plus courant dans les plastiques est le polyéthylène, composé de monomères d'éthylène (CH2 = CH2). Le premier polyéthylène a été fabriqué en 1934. Nous l’appelons aujourd’hui en polyéthylène basse densité (PEBD), car il flotte dans un mélange d’alcool et d’eau. En LDPE, les brins de polymère sont enchevêtrés et organisés de manière lâche, ce qui les rend souples et flexibles. Il a d'abord été utilisé pour isoler les fils électriques, mais aujourd'hui, il est utilisé dans les films, les emballages, les bouteilles, les gants jetables et les sacs à ordures.

Dans les années 1950, Karl Ziegler a polymérisé de l'éthylène en présence de divers métaux. Le polymère de polyéthylène résultant était composé principalement de polymères linéaires. Cette forme linéaire a produit des structures plus serrées, plus denses et plus organisées et est maintenant appelée polyéthylène haute densité (PEHD). Le PEHD est un plastique plus dur avec un point de fusion plus élevé que le PEBD et s’enfonce dans un mélange d’alcool et d’eau. Le PEHD a été introduit pour la première fois dans le hula hoop, mais il est aujourd'hui principalement utilisé dans des conteneurs.

Polypropylène (PP): En 1953, Karl Ziegler et Giulio Natta, travaillant indépendamment, ont préparé du polypropylène à partir de monomères de propylène (CH2 = CHCH3) et ont reçu le prix Nobel de chimie en 1963. Les différentes formes de polypropylène ont des points de fusion et des duretés différentes. Le polypropylène est utilisé dans les garnitures de voiture, les étuis de batterie, les bouteilles, les tubes, les filaments et les sacs.

Maintenant que nous avons discuté des différents types de plastiques, voyons comment sont fabriqués les plastiques.

Faire des plastiques

Les plastiques synthétiques comme ceux-ci sont dérivés du pétrole.

Les plastiques synthétiques comme ceux-ci sont dérivés du pétrole.

Pour fabriquer des plastiques, les chimistes et les ingénieurs chimistes doivent effectuer les tâches suivantes à l'échelle industrielle:

  1. Préparer les matières premières et les monomères
  2. Réaliser des réactions de polymérisation
  3. Traiter les polymères en finale résines polymères
  4. Produire des produits finis

Premièrement, ils doivent commencer par différentes matières premières constituant les monomères. L'éthylène et le propylène, par exemple, proviennent du pétrole brut, qui contient les hydrocarbures qui composent les monomères. Les matières premières hydrocarbonées proviennent du "procédé de craquage" utilisé dans le raffinage du pétrole et du gaz naturel (voir Fonctionnement du raffinage du pétrole). Une fois que les différents hydrocarbures sont obtenus par craquage, ils sont traités chimiquement pour produire des monomères hydrocarbonés et d'autres monomères carbonés (comme le styrène, le chlorure de vinyle, l'acrylonitrile) utilisés dans les plastiques.

Ensuite, les monomères effectuent des réactions de polymérisation dans de grandes installations de polymérisation. Les réactions produisent des résines polymères qui sont collectées et ensuite traitées. Le traitement peut inclure l’ajout de plastifiants, de colorants et de produits chimiques ignifugeants. Les résines polymères finales se présentent généralement sous forme de pastilles ou de billes.

Enfin, les résines polymères sont transformées en produits plastiques finis. Généralement, ils sont chauffés, moulés et laissés refroidir. Plusieurs processus interviennent à cette étape, en fonction du type de produit.

Extrusion: Les pellets sont chauffés et mélangés mécaniquement dans une longue chambre, forcés à travers une petite ouverture et refroidis à l'air ou à l'eau. Cette méthode est utilisée pour fabriquer des films plastiques.

Moulage par injection: Les pastilles de résine sont chauffées et mélangées mécaniquement dans une chambre, puis forcées sous haute pression dans un moule refroidi. Ce processus est utilisé pour des récipients tels que des pots à beurre et à yaourt. (Custompart.net a une bonne leçon sur le moulage par injection.)

Soufflage: Cette technique est utilisée conjointement avec l'extrusion ou le moulage par injection. Les pastilles de résine sont chauffées et comprimées dans un tube liquide, comme un dentifrice. La résine pénètre dans le moule refroidi et de l'air comprimé est insufflé dans le tube en résine. L'air dilate la résine contre les parois du moule. Ce processus est utilisé pour fabriquer des bouteilles en plastique.

Moulage par rotation: Les pellets de résine sont chauffés et refroidis dans un moule pouvant être mis en rotation dans trois dimensions. La rotation répartit uniformément le plastique le long des parois du moule. Cette technique est utilisée pour fabriquer de gros articles en plastique creux (jouets, meubles, équipements sportifs, fosses septiques, poubelles et kayaks).

La page suivante explique les nouvelles innovations en matière de plastique et leur recyclage.

Biopolymères et Recyclage

Tasuo Hosoda, chercheur pionnier en électronique, présente un prototype de disque Blu-ray en polymère d'amidon de maïs. À droite, des pastilles de polymère d'amidon de maïs.

Tasuo Hosoda, chercheur pionnier en électronique, présente un prototype de disque Blu-ray en polymère d'amidon de maïs. À droite, des pastilles de polymère d'amidon de maïs.

Comme nous l'avons mentionné précédemment, il existe d'autres polymères que les plastiques. Des polymères naturels, tels que les amidons, la cellulose, les protéines de soja, les huiles végétales, les triglycérides et les polyesters bactériens, peuvent être extraits de cultures et de bactéries. En outre, les plantes et les micro-organismes peuvent produire des substances telles que l’acide lactique, qui peuvent être polymérisées en bioplastiques (acide polylactique, par exemple). Il existe deux stratégies pour produire des bioplastiques.

Fermentation: Des bactéries ou d'autres micro-organismes produisent en masse les biopolymères dans des bioréacteurs (cuves de fermentation). Les biopolymères (acide lactique, polyesters) sont extraits des bioréacteurs et transformés chimiquement en plastiques.

Installations de génie génétique en tant que bioréacteurs: Les biotechnologistes introduisent des gènes bactériens dans les plantes. Ces gènes codent pour les enzymes nécessaires à la fabrication de plastiques bactériens. Les plantes sont cultivées et récoltées, et les plastiques sont extraits de la matière végétale.

En 1997, Cargille Dow a fabriqué un plastique transparent (polylactide) à partir de maïs. Les fibres de polylactide ont été tissées dans des vêtements de sport, des tissus de rembourrage et des enveloppements bioplastiques.

Les bioplastiques ont l'avantage d'être produits à partir de ressources renouvelables (bactéries, plantes) plutôt que de ressources non renouvelables (pétrole, gaz naturel). De plus, les bioplastiques sont biodégradables - ils peuvent se décomposer dans l'environnement (voir Fonctionnement des décharges). Les bioplastiques sont une industrie potentiellement importante. Avec la technologie actuelle, la production de bioplastiques peut être plus chère, mais la biotechnologie progresse rapidement et la production pourrait devenir plus économique à l'avenir.

Recyclage des plastiques

Les plastiques à base d'huile ne se dégradent pas, mais de nombreux types (y compris PP, LDPE, HDPE, PET et PVC) peuvent être recyclés. Chaque type a un code et un numéro d'identification, mais certains plastiques ne sont pas aussi économiquement réalisables. Il est donc important de vérifier auprès de votre recycleur ou de votre municipalité quels types de plastiques seront acceptés.

Une fois collectés, les plastiques passent par les étapes suivantes

  • Inspection visant à éliminer les contaminants et les types de plastique inappropriés
  • Déchiquetage et lavage
  • Séparation basée sur la densité
  • Séchage
  • Fusion
  • Drainage à travers des tamis fins pour éliminer plus de contaminants
  • Refroidissement et déchiquetage en pellets
  • Revendre aux entreprises de plastique

La découverte des plastiques a révolutionné notre société en introduisant une grande variété de produits légers, résistants, flexibles et aux utilisations multiples. Bien que les plastiques posent des problèmes d'élimination, le recyclage est toujours une possibilité. De plus, de nouvelles recherches sur les biopolymères peuvent produire de nouveaux produits bioplastiques à partir de ressources renouvelables biodégradables et plus faciles pour notre environnement.

Pour en savoir plus sur les plastiques, consultez les liens à la page suivante.


Supplément Vidéo: Comment fonctionne le recyclage des bouteilles plastiques ?.




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