Principaux polymères industriels , composés chimiques utilisés dans la fabrication de matériaux industriels synthétiques.
Dans la production commerciale de plastiques, d'élastomères, de fibres synthétiques ou artificielles, d'adhésifs et de revêtements de surface, une très grande variété de polymères est utilisée. Il existe de nombreuses façons de classer ces composés. Dans l'article polymères industriels, chimie des polymères, les polymères sont classés selon qu'ils sont formés par des réactions de croissance en chaîne ou par étapes de croissance. Dans le plastique (résines thermoplastiques et thermodurcissables), les polymères sont répartis entre ceux qui sont solubles dans les solvants sélectifs et peuvent être ramollis de manière réversible par la chaleur (thermoplastiques) et ceux qui forment des réseaux tridimensionnels qui ne sont pas solubles et ne peuvent pas être ramollis par la chaleur sans décomposition (thermodurcissables). Dans l'article en fibres synthétiques ou artificielles, les fibres sont classées comme étant soit fabriquées à partir de polymères naturels modifiés, soit fabriquées à partir de polymères entièrement synthétiques.
Dans cet article, les principaux polymères utilisés dans le commerce sont divisés par la composition de leurs «squelettes», les chaînes d'unités récurrentes liées qui composent les macromolécules. Classés selon leur composition, les polymères industriels sont soit des polymères à chaîne carbonée (également appelés vinyls), soit des polymères hétérochain (également appelés non-carbon-chain, ou non vinyls). Dans les polymères à chaîne carbonée, comme leur nom l'indique, les squelettes sont composés de liaisons entre les atomes de carbone; dans les polymères d'hétérochaine, un certain nombre d'autres éléments sont liés ensemble dans les squelettes, notamment l'oxygène, l'azote, le soufre et le silicium.
Polymères à chaîne de carbone
Polyoléfines et polymères associés
Les polymères industriels de loin les plus importants (par exemple, pratiquement tous les plastiques de base) sont des oléfines polymérisées. Les oléfines sont des hydrocarbures (composés contenant de l'hydrogène [H] et du carbone [C]) dont les molécules contiennent une paire d'atomes de carbone liés entre eux par une double liaison. Le plus souvent dérivés du gaz naturel ou de constituants de faible poids moléculaire du pétrole, ils comprennent l'éthylène, le propylène et le butène (butylène).
Les molécules d'oléfine sont généralement représentées par la formule chimique CH 2 = CHR, avec R représentant un atome ou un groupe moléculaire pendant de composition variable. En tant qu'unité répétitive d'une molécule polymère, leur structure chimique peut être représentée par:
La composition et la structure de R déterminent laquelle de la vaste gamme de propriétés possibles sera démontrée par le polymère.
Polyéthylène (PE)
L'éthylène, généralement produit par le craquage de l'éthane gazeux, forme la base de la plus grande classe de plastiques, les polyéthylènes. Le monomère d'éthylène a la composition chimique CH 2 = CH 2 ; en tant qu'unité répétitive du polyéthylène, il a la structure chimique suivante:
Cette structure simple peut être réalisée sous des formes linéaires ou ramifiées telles que celles illustrées sur les figures 1 et 2. Les versions ramifiées sont connues sous le nom de polyéthylène basse densité (LDPE) ou de polyéthylène linéaire basse densité (LLDPE); les versions linéaires sont appelées polyéthylène haute densité (HDPE) et polyéthylène de poids moléculaire ultra élevé (UHMWPE).
En 1899, un chimiste allemand, Hans von Pechmann, a observé la formation d'un précipité blanc lors de l'autodécomposition du diazométhane dans l'éther. En 1900, ce composé a été identifié par les chimistes allemands Eugen Bamberger et Friedrich Tschirner comme du polyméthylène ([CH 2 ] n ), un polymère pratiquement identique au polyéthylène. En 1935, les chimistes britanniques Eric Fawcett et Reginald Gibson ont obtenu du PE solide cireux en essayant de faire réagir l'éthylène avec le benzaldéhyde à haute pression. Parce que le produit avait peu d'utilisation potentielle, le développement était lent. En conséquence, le premier PE industriel - en fait un PEBD à ramification irrégulière - n'a été produit qu'en 1939 par Imperial Chemical Industries (ICI). Il a été utilisé pour la première fois pendant la Seconde Guerre mondiale comme isolant pour les câbles radar.
En 1930, Carl Shipp Marvel, un chimiste américain travaillant comme consultant à l'EI du Pont de Nemours & Company, Inc., découvrit un produit à haute densité, mais DuPont ne parvint pas à reconnaître le potentiel du matériau. Il a été laissé à Karl Ziegler de l'Institut Kaiser Wilhelm (maintenant Max Planck) pour la recherche sur le charbon à Mülheim an der Ruhr, en Allemagne, de remporter le prix Nobel de chimie en 1963 pour avoir inventé le PEHD linéaire - que Ziegler a en fait produit avec Erhard Holzkamp en 1953, catalysant la réaction à basse pression avec un composé organométallique désormais appelé catalyseur de Ziegler. En utilisant différents catalyseurs et méthodes de polymérisation, les scientifiques ont ensuite produit des PE avec diverses propriétés et structures. Le LLDPE, par exemple, a été introduit par la Phillips Petroleum Company en 1968.
Le LDPE est préparé à partir d'éthylène gazeux sous des pressions très élevées (jusqu'à 350 mégapascals, ou 50 000 livres par pouce carré) et à des températures élevées (jusqu'à 350 ° C ou 660 ° F) en présence d'initiateurs de peroxyde. Ces procédés donnent une structure polymère avec à la fois des branches longues et courtes. En conséquence, le LDPE n'est que partiellement cristallin, ce qui donne un matériau de haute flexibilité. Ses principales utilisations sont les films d'emballage, les sacs poubelle et d'épicerie, le paillis agricole, l'isolation des fils et câbles, les bouteilles compressibles, les jouets et les articles ménagers.
Certains LDPE sont mis à réagir avec du chlore (Cl) ou avec du chlore et du dioxyde de soufre (SO 2 ) afin d'introduire des groupes chlore ou chlorosulfonyle le long des chaînes polymères. De telles modifications aboutissent au polyéthylène chloré (CM) ou au polyéthylène chlorosulfoné (CSM), un matériau pratiquement non cristallin et élastique. Dans un processus similaire à la vulcanisation, la réticulation des molécules peut être effectuée par l'intermédiaire des groupes chlore ou chlorosulfonyle, transformant le matériau en un solide caoutchouteux. Du fait que leurs principales chaînes polymères sont saturées, les élastomères CM et CSM sont très résistants à l'oxydation et à l'attaque de l'ozone, et leur teneur en chlore confère une certaine résistance aux flammes et au gonflement des huiles hydrocarbonées. Ils sont principalement utilisés pour les tuyaux, les courroies, les joints résistants à la chaleur et les tissus enduits.
Le LLDPE est structurellement similaire au LDPE. Il est fabriqué en copolymérisant de l'éthylène avec du 1-butène et de plus petites quantités de 1-hexène et de 1-octène, en utilisant des catalyseurs Ziegler-Natta ou métallocène. La structure résultante a un squelette linéaire, mais elle a des branches courtes et uniformes qui, comme les branches plus longues du LDPE, empêchent les chaînes polymères de se tasser étroitement ensemble. Les principaux avantages du LLDPE sont que les conditions de polymérisation sont moins gourmandes en énergie et que les propriétés du polymère peuvent être modifiées en faisant varier le type et la quantité de comonomère (monomère copolymérisé avec de l'éthylène). Dans l'ensemble, le LLDPE a des propriétés similaires au LDPE et est en concurrence pour les mêmes marchés.
Le PEHD est fabriqué à de basses températures et pressions en utilisant des catalyseurs Ziegler-Natta et métallocène ou de l'oxyde de chrome activé (connu sous le nom de catalyseur Phillips). L'absence de branches permet aux chaînes polymères de s'emballer étroitement, ce qui donne un matériau dense, hautement cristallin, de haute résistance et de rigidité modérée. Les utilisations comprennent les bouteilles moulées par soufflage pour le lait et les produits de nettoyage ménagers et les seaux moulés par injection, les bouchons de bouteilles, les boîtiers d'appareils et les jouets.
L'UHMWPE est fabriqué avec des poids moléculaires de 3 millions à 6 millions d'unités atomiques, contre 500 000 unités atomiques pour le HDPE. Ces polymères peuvent être filés en fibres et étirés, ou étirés, dans un état hautement cristallin, résultant en une rigidité élevée et une résistance à la traction plusieurs fois supérieure à celle de l'acier. Les fils fabriqués à partir de ces fibres sont tissés dans des gilets pare-balles.
