Matière plastique - Définition

Introduction

Les matières plastiques font désormais partie de notre quotidien. Certains polymères ont été découverts fortuitement.

Une matière plastique ou en langage courant un plastique est un mélange contenant une matière de base (un polymère) qui est susceptible d'être moulé, façonné, en général à chaud et sous pression, afin de conduire à un semi-produit ou à un objet. Le mot « plastique » dérive de plasticité.

Les matières plastiques couvrent une gamme très étendue de matériaux polymères synthétiques ou artificiels. On peut observer aujourd'hui sur un même matériau des propriétés qui n'avaient jamais auparavant été réunies, par exemple la transparence et la résistance aux chocs.

Les textiles (fils et fibres) ainsi que les élastomères ne sont pas des matières plastiques proprement dites.

Généralement, les polymères industriels ne sont pas utilisés à l'état « pur », mais mélangés à des substances miscibles ou non dans la matrice polymère.

Structure typique d'une formule :
matière plastique = polymère(s) brut(s) (résine(s) de base) + charges + plastifiant(s) + additifs

Il existe un grand nombre de matières plastiques ; certaines connaissent un grand succès commercial. Les plastiques se présentent sous de nombreuses formes : pièces moulées par injections, tubes, films, fibres, tissus, mastics, revêtements, etc. Ils sont présents dans de nombreux secteurs, même dans les plus avancés de la technologie.

Historique

Les premiers plastiques industriels très résistants ont été produits à partir du lait. La bakélite a connu un immense succès à partir des années 1920 ; ici sous forme de face avant d'un poste de radio. La caséine du lait a servi d'agent plastifiant en peinture dès le Moyen Âge et peut-être bien plus tôt.

Les matières plastiques sont pratiquement nées avec le XX^e siècle. Des centaines de chercheurs et de bricoleurs de génie sont à l'origine de leur essor. Les premiers plastiques, artificiels, résultaient de la transformation chimique de polymères naturels tels le caoutchouc, la cellulose et la caséine (le squelette macromoléculaire étant préservé lors de cette transformation). La première matière plastique industrielle basée sur un polymère synthétique est la Bakélite.

L'histoire des matières plastiques remonte à l'Égypte antique :

• quinze siècles avant J.-C., les Égyptiens employaient des colles à base de gélatine, caséine ou albumine ;
• fin du XV^e siècle : Christophe Colomb apporte des plants de caoutchouc appelés Cao (bois) tchu (qui pleure) par les Amérindiens ;
• 1736 : les naturalistes français Charles Marie de La Condamine et François Fresneau de La Gataudière découvrent le caoutchouc naturel dans le bassin amazonien un peu par hasard ;
• 1835 : Henri Victor Regnault découvre par accident la réaction de polymérisation du chlorure de vinyle ;
• 1839 : l'américain Charles Goodyear découvre (assez fortuitement d'ailleurs) le procédé de vulcanisation du caoutchouc naturel par le soufre ;
• 1862 : l'anglais Alexander Parkes présente la Parkesine (issue de la cellulose), l'un des plus anciens polymères artificiels, lors de l'Exposition universelle de Londres. Cette découverte est à la base de l'industrie plastique moderne ;
• 1870 : les frères Hyatt inventent le Celluloïd (utilisé dans les balles de tennis de table) qui est considéré comme la première matière plastique artificielle, dont l'origine remonte à 1856. Il est obtenu en plastifiant la nitrocellulose (issue de la nitration de la cellulose du bois) à chaud par le camphre. Il fait suite à un embargo de boules de billard en ivoire pendant la guerre de Sécession aux États-Unis d'Amérique. Mais ces ersatz de faible qualité furent remplacés dès 1890 par des boules en Galalithe ;
• 1884 : Hilaire de Chardonnet invente la viscose en dissolvant de l'acétate de cellulose dans du chloroforme ;
• 1889 : un chimiste français, Jean-Jacques Trillat, travaillant sur la caséine du lait, réussit à la durcir et obtient la Galalithe ou « pierre de lait ». Cette matière est plus dure que la corne, plus brillante que l'os et plus soyeuse au toucher que l'ivoire. Bientôt toutes les boules de billard seront en Galalithe. En 1918, commence la fabrication d'articles courants, comme le bouton, le bijou fantaisie, le fume-cigarette ou encore le stylo ;
• 1907 : le chimiste belge, naturalisé américain Leo Baekeland découvre les résines formo-phénoliques (sous le nom de Bakélite), les plus anciens polymères synthétiques industriels ; produites par polycondensation du phénol et du formaldéhyde (famille des phénoplastes) ; utilisées à l'origine pour les boîtiers de téléphone, coques de rasoir, poignées de casserole, prises électriques, cendriers, etc. ;
  • la même année, le chimiste allemand Fritz Hofmann réalise les premiers caoutchoucs synthétiques en polymérisant des diènes conjugués ;
• 1908 : découverte de la cellophane par le chimiste suisse Jacques Brandenberger ;
• 1919 : le chimiste allemand Hermann Staudinger, prix Nobel de chimie en 1953, introduit la notion de macromolécule puis réalise la polymérisation de nombreux monomères éthyléniques. Il peut être considéré comme le père de la science macromoléculaire ;
• 1920 : premières études des réactions phénol-épichlorhydrine par Paul Schlack de la société IG Farben Industrie, conduisant aux résines époxydes ;
• 1931 : première fabrication industrielle du polychlorure de vinyle (PVC) ;
• 1932 : après plus de vingt ans de recherches, développement par Otto Röhm et Haas, en collaboration avec la société IG Farben, d'un grand nombre de dérivés polyacryliques, dont le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), commercialement connu sous le nom de Plexiglas ; utilisation : feux arrière et de clignotant, certains carters de véhicule, hublots d'avion, fibres optiques, enseignes lumineuses ;
• 1933 : obtention par polymérisation radicalaire du polyéthylène basse densité (PEBD) (LDPE pour les Anglo-saxons) (densité d~0,92) par les ingénieurs anglais Eric Fawcett et Reginald Gibson de la firme ICI en opérant sous très haute pression à environ 200 °C. Le polyéthylène (PE) est la seule polyoléfine qui puisse être obtenue par voie radicalaire ;
• 1935 : les polyamides (PA) (connus sous le nom de Nylon) sont sortis des éprouvettes du chimiste américain Wallace Hume Carothers travaillant pour Du Pont de Nemours. En 1938, la firme annonce officiellement la découverte d'une fibre synthétique « aussi solide que l'acier, aussi fine que la toile d'araignée, et d'un magnifique éclat ». Ce fut le premier plastique technique à haute performance, avec en particulier un coefficient de friction faible. Applications : fait ses preuves dans les parachutes des GI au moment du Débarquement, puis utilisé dans la confection de bas ; engrenages, cages de roulement à billes, corps de perceuse, têtes de maillet, visserie plastique, semelles de chaussures de football ;
  • fabrication industrielle du polystyrène (PS) à Ludwigshafen, suivie d'un rapide développement en Allemagne ;
• 1936 : la société Rhône-Poulenc crée le Rhodoïd, à base d'acétate de cellulose ;
• 1937 : le Pr Otto Bayer synthétise les premiers polyuréthanes, aussi appelés polycarbamates ; applications : adhésifs, fibres Spandex, « mousses » pour matelas et coussins, sièges de voiture, etc. ;
• 1938 : Roy J. Plunkett, un chimiste américain de Du Pont de Nemours, découvre par hasard le polytétrafluoroéthylène [formule moléculaire (-CF₂-)_n] (PTFE) (principalement connu sous le nom commercial de Téflon ; présent dans le Gore-Tex), un isolant qui offre une excellente résistance chimique et à la chaleur (stable jusqu'à 250 °C en service continu, avec pointes possibles à 300 °C). Isolant étanche, il sert dans l'industrie nucléaire militaire, avant de recouvrir dans les années 1960 les poêles à frire des cuisines (application de son pouvoir antiadhésif) ; joints d'étanchéité.

La Seconde Guerre mondiale exacerba les besoins en matières premières :

• 1941 : la résine « mélamine-formol », alias Formica (marque déposée), envahit les cuisines. Cette résine très dure fait partie de la famille des aminoplastes. Elle a été développée dans les années 1930 et 40 par des firmes telles American Cyanamid, Ciba et Henkel, mais sans véritable succès commercial. Ses propriétés élevées de résistance à la plupart des produits chimiques, à la chaleur, à la lumière, à l'abrasion et au feu expliquent son succès dans l'immédiat après-guerre. Les aminoplastes sont par ailleurs utilisés comme adhésifs/liants dans l'industrie du bois ;
  • les silicones (SI), thermostables dotés de propriétés antiadhésives ; utilisation dans les industries électriques, aéronautiques et du biomédical (isolants électriques puis fluides amortisseurs dans les trains d'atterrissage des avions, chirurgie plastique, huiles de moteur, mastics, peintures, cosmétiques, etc.) ;
  • découverte du polyéthylène téréphtalate (PET) par J. R. Whinfield et J. Dickson.

Pour couvrir ses besoins, l'Allemagne, rapidement privée de ses ressources en latex naturel, avait produit durant la Première Guerre mondiale du caoutchouc « Buna », un substitut plutôt médiocre de cette substance. Ses recherches sur de nouvelles matières plastiques se poursuivirent au cours de la Seconde Guerre mondiale (réalisées notamment par IG Farben) et, en 1945, la production de caoutchouc synthétique (néo-buta) s'élevait à un million de tonnes.

À partir de la Libération, l'élan scientifique et technologique insufflé à l'industrie par la guerre se poursuivit et de nouvelles matières furent synthétisées telles les nouveaux polyamides, le polycarbonate et les polyacétals.

Le polycarbonate : une résine transparente comme le verre, la solidité en plus. Utilisée dans les blindages, elle a équipé le casque des astronautes en 1969 sur la Lune.

Puis les découvertes de nouvelles matières se firent plus rares :

• 1950 : synthèse des premiers copolymères du polystyrène, marquant une nette amélioration des qualités du PS homopolymère (tenue au choc en particulier, température limite d'utilisation, tenue aux solvants organiques) ;
• 1953 : les chercheurs Bottenbruch, Krimm et Schnell de Bayer AG découvrent le polycarbonate (PC), un polymère très transparent et extrêmement résistant aux chocs. Il a équipé le casque des astronautes pour la mission Apollo 11 en 1969. Utilisation : dans plus de 80 % des visières de casque de moto, CD, biberons incassables, phares d'automobile, profilés de toiture, vitres de cabine téléphonique, vitres pare-balles, châssis d'ordinateurs portables, etc. ;
  • le chimiste allemand Karl Ziegler et son équipe découvrent fortuitement un système catalytique permettant la polymérisation linéaire de l'éthylène (ou éthène) sous pression modérée (de l'ordre de 2 à 3 MPa), produisant le polyéthylène haute densité (PEHD, densité~0,95) au faible degré de ramification ;
• 1954 : un an plus tard, le chimiste italien Giulio Natta met au point, utilisant les catalyseurs « Ziegler », le polypropylène (ou polypropène) isotactique (PP ou PPi pour le différencier du polypropène syndiotactique de sigle PPs). Ziegler et Natta se partagent le prix Nobel de chimie en 1963 grâce à leurs travaux en science des polymères. Remarque : le PP atactique présente peu d'intérêt économique ;
• 1955 : travaux de la société Phillips Petroleum sur la polymérisation linéaire coordinative sous relativement basse pression de l'éthylène, grâce aux catalyseurs stéréospécifiques, fournissant le PEHD ;
• 1961 : commercialisation de l'Estane (BF Goodrich), un polyuréthane thermoplastique (TPU en anglais). Autre exemple d'élastomère thermoplastique (TPE ou TPR en anglais) : le copolymère séquencé (copolymère bloc) SBS ou poly(styrène-b-butadiène-b-styrène) ;
• 1965 : découverte par les chercheurs Stéphanie Kwolek et Herbert Blades de la firme Du Pont de Nemours d'un « super-nylon », le Kevlar, une fibre aramide légère et particulièrement résistante :
  • à la déchirure et aux chocs : gilets et vitres pare-balles, couches anti-perçage ;
  • au feu : casques et vestes des sapeurs-pompiers, gants de cuisine, etc. Son grand succès dans ce domaine est aussi dû à l'interdiction de l'amiante ;
  • à la corrosion (voiles, amarres de pétrolier) ;
• dans les années 1990, le terpolymère ABS tend peu à peu à remplacer les résines « mélamine-formol ». C'est une matière plus noble que le polystyrène, très utilisée en habillage d'équipements électroménagers (corps d'aspirateur), pour jouets rigides, enjoliveurs, parfois en emballage (couvercles), en accessoires de salles de bains et dans l'industrie ;
  • l'ABS existe aussi en version translucide (M-ABS dit ABS transparent) ;
  • il est métallisable par galvanoplastie pour imiter l'aluminium ; utilisation : contenants en cosmétique... ;
  • il peut être mélangé avec du polycarbonate pour former un alliage polymère PC/ABS (noms Anjablend A, Bayblend, Pulse) (pièces pour automobiles). Le Noryl est un autre exemple de mélange polymère-polymère ;
• 2000 : pour le développement des polymères conducteurs intrinsèques, les chercheurs Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid et Hideki Shirakawa sont récompensés par le prix Nobel de chimie.

Depuis une trentaine d'années, les voitures, les trains et les articles électroménagers (machines à laver...) n'ont cessé de s'alléger en métal et de gagner en performance grâce à l'apport des matériaux plastiques.

Les plastiques armés (matériaux composites) [typiquement les résines polyesters et polyépoxydes renforcées fibres de verre (verre : d~2,5)], plus légers pour égale résistance que l'acier ou l'aluminium, et insensibles à la corrosion, sont des matériaux non traditionnels. Certains types sont de plus en plus utilisés dans le secteur aéronautique.

De nouveaux plastiques toujours plus respectueux de l'environnement (recyclage et biodégradabilité améliorés), moins dépendants du pétrole (réduction de coût), thermostables, plus transparents, incassables, ininflammables ou originaux sont en voie de développement.