polymère définition
Chimie

Les secrets du polymère : définition, application et fabrication

Avant de te donner une définition du polymère, je voulais te poser une question: qu’ont en commun le PVC, la soie, le nylon et le kevlar ? Ce sont tous des polymères ! Mais qu’est-ce que c’est exactement ?  C’est ce que je te propose de découvrir aujourd’hui dans cet article ! La nature, l’histoire, les propriétés, les applications…tu sauras tout des polymères ! C’est parti !

Quelle est la définition d’un polymère ?

Commençons par le début ! De quoi parle-t-on exactement quand on parle de « polymères » ? Et bien un polymère est une répétition d’éléments identiques appelés monomères[1]. Pour faire plus simple, c’est un collier de perles constitué de perles, c’est une chaine constituée de chainon, c’est un train formé par des wagons…dans ces exemples, les perles, les chainons et les wagons sont des monomères tandis que le collier, la chaine ou le train sont des polymères.

Les polymères ont différentes natures

Il faut savoir que les monomères peuvent être tous identiques ou non. Ton collier peut être fait de perles bleues uniquement ou avec des perles bleues et des perles rouges. Dans le premier cas, on va parler d’homopolymère et dans le deuxième cas, on parlera de copolymère.

La comparaison est bonne…sauf qu’on n’est pas à la bonne échelle, bien sûr ! Les monomères sont bien souvent des petites molécules et les polymères, des macromolécules (c’est-à-dire des molécules très grosses).

Les monomères peuvent s’arranger de différentes façons : soit ils sont à la queue leu leu (on parle de polymère linéaire) soit ils forment des ramifications, comme les branches d’un arbre (on parle alors de polymères branchés) soit ils sont rangés de façon très organisée (il s’agit alors d’un dendrimère).

Les polymères sont partout !

Arrêtons un peu avec les noms barbares et intéressons-nous au concret : on les trouve où ces polymères ? Tout simplement partout ! Dans le bois, la soie, le plastique, l’ADN, le kevlar, le coton, le cuir, les colles, les caoutchoucs…je ne vais pas te faire une liste exhaustive mais tu vois que ce truc est de partout !

Certains de ces polymères sont naturels. C’est le cas pour la cellulose (macromolécule qui forme la structure des végétaux), l’ADN, l’amidon (un élément que l’on retrouve dans les pommes de terre, les céréales, les bananes…), la kératine (polymère qui forme nos ongles et cheveux), etc.

polymère définition
La cellulose, présente dans les végétaux,…
polymère définition
…et l’ADN sont des polymères naturels

D’autres, comme la nitrocellulose ou la galalithe, sont qualifiés de polymères artificiels : ils sont issus de polymères naturels mais ils ont été modifiés par la main de l’homme. Ainsi la nitrocellulose est une modification de la cellulose pour la rendre explosive afin de l’utiliser dans des munitions.

Et pour finir, certains polymères sont « de synthèse » : les Hommes les ont inventés et fabriqués de A à Z. C’est le cas pour le poly(chlorure de vinyle) (plus connu sous le nom de PVC), polyesters, silicones, polyamides, polyuréthanes, polystyrène…Ne me remercie pas pour cette liste de mots à placer dans ta prochaine partie de scrabble ! C’est de bon cœur ! Tous ces matériaux sont généralement classés dans la catégorie des « plastiques » avec plus ou moins de justesse sur le plan scientifique…mais je ne vais pas m’appesantir sur ces précisions.

polymère définition
Le PVC…
polymère définition
…et le polystyrène sont des polymères de synthèse

Les polymères, une histoire qui remonte à la nuit des temps !

Comme je l’ai précisé dans la définition du polymère, il existe des polymères naturels…autrement dit, les polymères sont présents à la surface de la Terre depuis la nuit des temps ! Les premiers polymères ont équipé les organismes dès qu’ils ont fait leur apparition sur notre planète (cela remonte donc aux environs de 4 milliards d’années !)

Les polymères et nos ancêtres

Lorsque l’Homme est devenu Homme, les polymères ont été les premiers matériaux qu’il a utilisés : bois, laine, tendons d’animaux…Bien évidemment, à cette époque, ils ignoraient qu’ils travaillaient avec des polymères, ils n’avaient pas la moindre idée qu’ils avaient entre les mains des macromolécules !

C’est un certain monsieur Marcellin Berthelot, scientifique et homme politique français, qui a prononcé pour la première fois le mot « polymère » ainsi que sa définition en 1866[2].

Marcellin Berthelot parle pour la première fois de polymères, et en donne une définition à la fin du XIXème siècle

A la même période, les polymères artificiels font leur apparition : le caoutchouc (qui est un polymère naturel, oui, oui !) est utilisé pour fabriquer du caoutchouc vulcanisé. C’est Charles Goodyear qui a découvert en 1839, et complètement par hasard, que l’ajout de souffre au caoutchouc modifie ses propriétés. Celui-ci devient alors beaucoup plus résistant à une large gamme de température. Goodyear…caoutchouc…tu as deviné l’application ? Hé oui ! Les pneus bien sûr !

Puis c’est au tour des polymères de synthèse de faire leur entrée sur scène. Ainsi, les Hommes ont mis au point la bakélite (de son vrai nom anhydrure de polyoxybenzylméthylèneglycol…à tes souhaits !), premier plastique de l’histoire, en 1910.

Un peu plus tard, dans les années 1920-1930, Hermann Staudinger travaille sur les polymères et arrive enfin à imposer la vision « moderne » de ces éléments et le PVC en 1912.

Les polymères d’hier à demain

Puis vint la seconde guerre mondiale et son lot de pénuries. Parmi celles-ci, le caoutchouc naturel produit en Asie et nécessaire aux Etats-Unis. La recherche pour trouver des substituts reçoit alors un formidable coup d’accélération.

A partir de ce moment, la recherche sur les polymères ne s’arrêta pas ! Principalement basée sur l’utilisation du pétrole, les scientifiques tentent de développer de nouveaux matériaux toujours plus innovants (résistance aux chocs, résistance aux agressions thermiques et chimiques, poids…).

Ils arrivent même maintenant à proposer du plastique intelligent ! C’est un nouveau domaine scientifique, appelé la plastronique, qui mélange l’étude du plastique et l’étude de la microélectronique avec pour objectif de fabriquer des morceaux de plastiques qui soient capable de détecter quelque chose ou mesurer quelque chose d’autre !

Je parie que les recherches nous prévoient de belles surprises pour les décennies à venir avec tous ces plastiques !

Quelles sont les propriétés des polymères ?

Après t’avoir donné la définition du polymère ainsi que son histoire, je voulais m’intéresser à ses propriétés.

Tu l’as bien compris, la variété des polymères est immense ! Il va donc m’être très difficile, pour ne pas dire impossible, de t’énumérer toutes les propriétés de tous les polymères existant !

Néanmoins, si je veux tenter de faire quelques généralités, je dirais que les polymères sont légers, souples, stables à des températures modérées et qu’ils font d’excellent isolants électriques et thermiques.

Les polymères sont souvent souples et stables à température modérée

Mais si tu veux t’intéresser plus précisément aux propriétés des polymères, il va falloir regarder de plus près la nature du ou des monomère۰s : la nature de la liaison qui rassemble deux monomères entre eux, combien de monomères forment ton polymère et qu’elle est la forme finale de celui-ci. Il faudra aussi savoir, dans le cas d’un polymère non naturel, ce qui lui a été ajouté.

Grosso modo, on va pouvoir jouer sur 3 types de propriétés : la rigidité/viscosité du matériau (propriétés mécaniques), le pH/structure chimique/absorbance des rayons UV (propriétés physico-chimiques) et la température de fusion/cristallisation/dégradation (propriétés thermiques).

A quoi servent les polymères ?

Lorsque je t’ai donné la définition de polymère, je t’ai expliqué que ce terme regroupait des matériaux très différents, aux propriétés très différentes…et maintenant je vais t‘expliquer que leurs applications sont…très différentes !

Regarde autour de toi, les polymères sont partout dans notre quotidien ! Mais si on veut classer un peu toutes ces applications, trois catégories se dessinent ! Je ne prends en compte ici que les polymères non-naturels.

Il y a tout d’abord des polymères de fonction. Ceux-ci sont fabriqués dans l’idée de remplir une fonction bien particulière. Il s’agit par exemple de polymères qui vont être sensibles à une stimulation (un courant électrique, une température élevée, des rayons UV, etc.)

Ensuite, nous avons des polymères techniques qui sont développés pour obtenir des matériaux aux propriétés augmentées (plus résistant au choc, aux températures, plus rigides…)

Et pour finir, nous avons les polymères de commodité qui rassemblent tous les matériaux qui ne rentrent pas dans les deux précédentes catégories. C’est là que l’on va retrouver le polystyrène ou le PVC.

Le plexiglas est un plastique résistant aux rayons du soleil
Les lego sont fait en plastique résistant aux chocs
Les emballages sont bien souvent en plastique par commodité

Si on regarde la totalité de la production de polymères au monde, ce sont les applications dans le domaine de l’emballage qui sont les plus importantes. Selon l’Atlas du plastique 2022, elle représente 36% de la production mondiale[3].

Une petite anecdote pour finir mon bla-bla sur les applications du polymère : plus un pays consomme de polymère et plus son PNB (Produit National Brut…sa richesse, quoi !) est élevé[4]…Je te laisse méditer cette information !

La fabrication des polymères

Je me suis dit que ce serait intéressant de parler de la fabrication des polymères. Les artificiels ainsi que ceux de synthèse bien sûr ! Dame Nature nous offre généreusement les autres!!

J’ai commencé à me pencher sur la question, et je t’avoue que j’ai pris peur ! Les polymères sont tellement variés, et les techniques de fabrication tellement diverses ! Et technique, en plus ! Il ne suffit pas de mélanger un peu de poudre de perlimpinpin avec un peu d’eau ! C’est légèrement plus compliqué !

J’ai donc choisi de simplifier à l’extrême ce paragraphe !

La plupart des polymères de synthèses sont issus du pétrole. Pour cela, on chauffe le pétrole à 400°C. Cette cuisson permet au pétrole de libérer un liquide transparent, appelé le naphta. Ce produit joue un rôle essentiel dans la fabrication des plastiques mais aussi dans certains colorants, engrais, produits cosmétiques ou ménagers. C’est à partir du naphta que l’on fabrique des monomères puis des polymères. Tu sais maintenant pourquoi il faut du pétrole pour fabriquer tout ça !

La plupart des polymères de synthèse sont fabriqués à partir de pétrole

Bien souvent, les polymères ne sont pas utilisés seuls (sauf dans le cas des polymères naturels, bien sûr !) On leur ajoute des éléments pour leur donner telle ou telle propriété : une couleur, une stabilité plus importante, une résistance au feu (on parle alors d’ajout d’ « ignifugeant » ! Encore un mot un peu barbare, tu ne trouves pas ?)

Par la suite, une fois que l’on a du naphta et différents ajouts, il existe de nombreux procédés de fabrication de polymères avec des noms plus ou moins exotique : extrusion-soufflage, expansion moulage, rotomoulage, thermoformage, pultrusion, etc.[5]

On l’a vu, les polymères sont de partout autour de nous. Il est donc normal que la production mondiale soit énorme. Mais as-tu une idée de la quantité de polymère fabriquée par an, sur la Terre? Environ 460 millions de tonnes, soit 3 fois plus qu’il y a 30 ans. C’est incroyable, non ? (chiffres 2019 selon l’OCDE[6]).

Polymères et écologie

Ok, si je résume la situation : les polymères proviennent en grande partie du pétrole, et la production mondiale est phénoménale. Est-ce que tu ne vois pas comme un petit problème écologique qui se profile ?

Je t’aide : une moyenne de consommation de polymères de 64kg/an/habitant (avec le jackpot pour les Etats-Unis et leurs 250kg/an/personne) et seuls 9% sont recyclés. Non ? Tu ne vois pas ?

Allez, dernier indice : 22% des déchets se retrouvent dans la nature. Soit plus de 100 millions de tonnes de déchets qui se retrouvent livrés à eux-mêmes en pleine nature tous les ans.

Là ! ça fait mal, hein ?

100 millions de tonnes de plastiques se retrouvent chaque année dans la nature

Alors, question recyclage, on en est où ?

On y travaille ! Lentement…mais on y travaille ! En 2019, 9% des plastiques étaient recyclés[6]. Ça ne fait pas beaucoup ! La difficulté, comme tu l’as sans doute compris, c’est que les plastiques sont très différents ! On ne peut pas recycler de la même manière un parechoc de voiture et un pot de yaourt ! Les polymères en jeux sont bien trop différents! Il faut donc du temps pour développer des filières en adéquation avec tous les plastiques possibles !

En attendant que tout cela soit en place, on chercher à améliorer l’équation avec de nouveaux plastiques : des plastiques biosourcés et/ou biodégradables sont en train de voir le jour ! Kézako ? Et bien on se sert d’éléments naturels (autre que le pétrole) pour fabriquer des plastiques biosourcés. Tandis que les plastiques biodégradables sont des plastiques qui se dégradent grâce à l’action de microorganismes comme les bactéries ou champignons !

Sur le papier, ces plastiques sont révolutionnaires. Mais dans la réalité, il nous faut encore optimiser les procédés de fabrication ou de récolte des biomatériaux qui ne rivalisent pas avec ceux des plastiques traditionnels.

Il ne nous reste plus qu’à réduire nous-même notre consommation pour que notre planète ne soit pas étouffée sous nos polymères de synthèse !

Dis-moi, ça t’intéresserait de fabriquer des polymères (sans pétrole, bien sûr !)

Bibliographie

  • [1]         T. I. U. of P. and A. Chemistry (IUPAC), « IUPAC – macromolecule (M03667) ». https://goldbook.iupac.org/terms/view/M03667 (consulté le 1 décembre 2022).
  • [2]         M. Berthelot, « IV.—On the synthesis of organic substances », J. Chem. Soc., vol. 17, no 0, p. 37‑49, janv. 1864, doi: 10.1039/JS8641700037.
  • [3]         « Atlas du Plastique | Heinrich Böll Stiftung | Bureau Paris – France », Heinrich-Böll-Stiftung. https://fr.boell.org/fr/atlas-du-plastique (consulté le 5 décembre 2022).
  • [4]         F. Sevenster, « Le PVC ». [En ligne]. Disponible sur: https://new.societechimiquedefrance.fr/wp-content/uploads/2019/12/1995-191-oct-nov-p5-sevenster.pdf
  • [5]         « Procédés de transformation | Plasticompetences ». https://www.plasticompetences.ca/procedes-de-transformation/ (consulté le 5 décembre 2022).
  • [6]         « Plastiques – OCDE ». https://www.oecd.org/fr/environnement/plastiques/ (consulté le 5 décembre 2022).
N'hésite pas à partager cet article si tu l'as aimé!

Commentaires

Jessica
09/12/2022 à 18h42

Article super intéressant et riche en informations, comme toujours ! Je l’ai lu avec ma petite nièce (13 ans), elle a adoré et m’a dit : « ça serait bien si les profs à l’école pouvaient eux aussi expliquer des choses compliquées de manière simple ! » C’est donc un 10/10 de sa part 😀



10/12/2022 à 14h47

Super intéressant et claire ! C est impressionnant comment l’homme s ‘adapte aux pénuries … Mais faut pas non plus oublier le recyclage, un vrai sujet. Et oui, ça serait chouette d essayer de fabriquer des polymères soi-même 😉



    10/12/2022 à 22h16

    C’est vrai que le recyclage est une vraie problématique! En attendant que la solution miracle soit trouvée, le mieux est encore de réduire notre consommation de polymères issus du pétrole!



10/12/2022 à 17h48

Oui vivement un prochain article avec une expérience polymère. On peut vraiment faire ça a la maison ?? A bientôt et merci !



    10/12/2022 à 22h17

    Oui, oui! On peut faire ça à la maison! J’ai déjà fait l’expérience…il ne me reste plus qu’à la refaire pour pouvoir filmer et te montrer ça de manière toute jolie! J’espère avoir le temps de faire des expériences à la maison pendant les vacances qui se profilent!



17/01/2023 à 9h30

Moi j’ai travaillé 20 ans dans le domaine aérospatial et on utilise beaucoup les polymères comme matières 1ères à la réalisation de beaucoup d’éléments et même aux « carburants » de la fusée 🙂 Je trouve ton article très instructif et le rappel à l’histoire nous fait toujours du bien. Toutes ces découvertes sont très récentes finalement à l’échelle de l’humanité. J’espère que des prochaines découvertes de matériaux s’en suivront également la façon de les recycler ou les détruire proprement.



    19/01/2023 à 11h46

    Oui, tout à fait! Les polymères de synthèse/artificiel sont très récents! Et ils ont été développés à une époque où la question de l’écologie n’était pas l’ordre du jour! Mais ça change petit à petit!



Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *