Matière plastique - Définition et Explications

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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 (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) contenant une matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) de base (un polymère) qui est susceptible d'être moulé, façonné, en général à chaud et sous pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...), afin de conduire à un semi-produit ou à un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...). Le mot « plastique » dérive de plasticité.

Les matières plastiques couvrent une gamme très étendue de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) polymères synthétiques ou artificiels. On peut observer aujourd'hui sur un même matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) des propriétés qui n'avaient jamais auparavant été réunies, par exemple la transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la...) 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 (Un polymère (étymologie : du grec pollus, plusieurs, et meros, partie) est un...).

Structure typique d'une formule :
matière plastique (Une matière plastique ou en langage courant un plastique est un mélange contenant une...) = polymère(s) brut(s) (résine(s) de base) + charges + plastifiant(s) + additifs

Il existe un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de matières plastiques ; certaines connaissent un grand succès commercial (Un commercial (une commerciale) est une personne dont le métier est lié à la vente.). 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 (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :).

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 (La caséine est une substance protéique (protéine) qui constitue la majeure partie...) 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 XXe 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 (Le squelette est une charpente animale rigide servant de support pour les muscles. Il est à la...) 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 (Colles (pluriel collis) est un mot d'origine latine désignant une petite colline ou une...) à base de gélatine (La gélatine est une substance solide translucide, transparente ou légèrement jaune,...), caséine ou albumine ;
  • fin du XVe 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 (Sur l'échelle des temps géologiques martiens, l'Amazonien désigne les époques...) 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 (Londres (en anglais : London - /?l?nd?n/) est la capitale ainsi que la plus grande ville...). 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 (La nitrocellulose ou nitrate de cellulose est un produit chimique, explosif, dérivé de la...) (issue de la nitration de la cellulose du bois) à chaud par le camphre (Le camphre est un composé organique bicyclique solide issu du camphrier, connu...). Il fait suite à un embargo de boules de billard en ivoire pendant la guerre de Sécession aux États-Unis d'Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et...). Mais ces ersatz (Un ersatz est un « sous-équivalent », de moindre qualité, d'un sujet considéré. Il...) 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 (L'acétate de cellulose est une matière plastique inventée en 1865. C'est l'ester...) dans du chloroforme ;
  • 1889 : un chimiste (Un chimiste est un scientifique qui étudie la chimie, c'est-à-dire la science de la...) 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 (Le toucher, aussi appelé tact ou taction, est l'un des cinq sens de l'homme ou de l'animal,...) 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 (Le téléphone est un système de communication, initialement conçu pour transmettre la voix...), coques de rasoir, poignées de casserole, prises électriques, cendriers, etc. ;
    • la même année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...), le chimiste allemand Fritz Hofmann réalise les premiers caoutchoucs synthétiques en polymérisant des diènes conjugués ;
  • 1908 : découverte de la cellophane (La cellophane est un film fin et transparent constitué d'hydrate de cellulose. C'est un...) par le chimiste suisse Jacques Brandenberger ;
  • 1919 : le chimiste allemand Hermann Staudinger, prix Nobel de chimie (Le prix Nobel de chimie est décerné une fois l'an, depuis 1901, par l'Académie...) en 1953, introduit la notion de macromolécule (Une macromolécule est une très grande molécule. La notion de macromolécule a...) puis réalise la polymérisation de nombreux monomères éthyléniques. Il peut être considéré comme le père de la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) 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 (Le polychlorure de vinyle ou chlorure de polyvinyle est un polymère thermoplastique de grande...) (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 (Un clignotant est un dispositif lumineux basé sur une production discontinue de lumière.), certains carters de véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un...), hublots d'avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale...), fibres optiques, enseignes lumineuses ;
  • 1933 : obtention par polymérisation radicalaire du polyéthylène (Le polyéthylène, ou polyéthène (sigle générique PE), est un des...) basse densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) (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 (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours...) de Nemours. En 1938, la firme annonce officiellement la découverte d'une fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...) synthétique « aussi solide que l'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction...), 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 (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain...) 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 ( En mécanique, le roulement, et plus précisément le roulement sans glissement, est le...) à billes, corps de perceuse (Une perceuse est une machine qui sert à percer des trous dans toutes sortes de matériaux.), têtes de maillet, visserie plastique, semelles de chaussures de football ;
    • fabrication industrielle du polystyrène (Le polystyrène (PS en abrégé) est le polymère -(CH2-CH(Ph))n-, obtenu par la...) (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 (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...), etc. ;
  • 1938 : Roy J. Plunkett, un chimiste américain de Du Pont de Nemours, découvre par hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon...) le polytétrafluoroéthylène (Le polytétrafluoroéthylène (sigle PTFE), est un fluoropolymère issu du...) [formule moléculaire (-CF2-)n] (PTFE) (principalement connu sous le nom commercial de Téflon ; présent dans le Gore-Tex), un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes....) qui offre une excellente résistance chimique et à la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) (stable jusqu'à 250 °C en service continu, avec pointes possibles à 300 °C). Isolant étanche, il sert dans l'industrie nucléaire (L’industrie nucléaire comprend l'ensemble des procédés de transformation et...) militaire, avant de recouvrir dans les années 1960 les poêles à frire des cuisines (application de son pouvoir antiadhésif) ; joints d'étanchéité (L'étanchéité est le résultat de l'interdiction d'un passage. Ce terme général peut être...).

La Seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) Guerre mondiale exacerba les besoins en matières premières :

  • 1941 : la résine « mélamine-formol », alias Formica (Formica est un genre de fourmis.) (marque déposée), envahit les cuisines. Cette résine très dure fait partie de la famille des aminoplastes. Elle a été développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) dans les années 1930 et 40 par des firmes telles American Cyanamid, Ciba et Henkel (Henkel est une entreprise allemande de produits ménagers (33 % du CA en 2005), de...), mais sans véritable succès commercial. Ses propriétés élevées de résistance à la plupart des produits chimiques, à la chaleur, à la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...), à l'abrasion et au feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation...) 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 (L’atterrissage désigne, au sens étymologique, le fait de rejoindre la terre ferme....) des avions, chirurgie plastique (La chirurgie plastique est une spécialité chirurgicale qui répare ou remodèle...), huiles de moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...), 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 (LaTeX est un système logiciel de composition de documents créé par Leslie Lamport....) 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 (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) de tonnes.

À partir de la Libération, l'élan scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) 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 (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...), la solidité en plus. Utilisée dans les blindages, elle a équipé le casque des astronautes en 1969 sur la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du...).

Puis les découvertes de nouvelles matières se firent plus rares :

  • 1950 : synthèse des premiers copolymères du polystyrène, marquant une nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces...) amélioration des qualités du PS homopolymère (tenue au choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de...) en particulier, température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) 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 (Apollo 11 est la première mission spatiale à avoir conduit un homme sur la Lune. C'est la...) en 1969. Utilisation : dans plus de 80 % des visières de casque de moto, CD, biberons incassables, phares d'automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...), profilés de toiture, vitres de cabine (Sur un bateau, une cabine désigne une pièce d'habitation pour une ou plusieurs personnes. Une...) téléphonique, vitres pare-balles, châssis (Un châssis est un cadre rigide ou mobile fait d'une matière résistante, destiné à entourer ou...) 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 (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines...) de ramification ;
  • 1954 : un an plus tard, le chimiste italien Giulio Natta met au point (Graphie), utilisant les catalyseurs (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) « Ziegler », le polypropylène (Le polypropylène (ou polypropène) isotactique, de sigle PP (ou PPi) et de formule...) (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 (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) 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 (Une matière thermoplastique désigne une matière qui se ramollit (parfois on observe...) (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 (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...) 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 (La cuisine est l'ensemble des techniques de préparation des aliments en vue de leur...), 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 (ABS est un sigle qui désigne :) 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 (Un cosmétique est une substance ou un mélange destiné à être mis en...)... ;
    • il peut être mélangé avec du polycarbonate pour former un alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments...) 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 (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) 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 (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....), et insensibles à la corrosion, sont des matériaux non traditionnels. Certains types sont de plus en plus utilisés dans le secteur aéronautique (L'aéronautique inclut les sciences et les technologies ayant pour but de construire et de...).

De nouveaux plastiques toujours plus respectueux de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) (recyclage et biodégradabilité améliorés), moins dépendants du pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de...) (réduction de coût), thermostables, plus transparents, incassables, ininflammables ou originaux sont en voie de développement.

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