Le Plastique
Pour mieux comprendre pourquoi le plastique occupe une place si importante dans notre quotidien il faut étudier sa composition lui conférant ses propriétés.
Une étude chimique des plastiques nous permettra de visualiser à l’échelle moléculaire les réactions chimiques à la base de la polymérisation des principaux plastiques vendus sur le marché.
Parallèlement et dans l'optique de répondre à notre problématique nous vous dévoilerons comment nous avons crée notre plastique biodégradable
Nous étudierons sa structure moléculaire et la comparerons à celle d'un plastique polluant pour mieux comprendre pourquoi notre plastique est lui biodégradable.
Quelque soit l’origine d’un plastique celui-ci est produit à base de polymère. La polymérisation est la réaction chimique résultant d’un polymère, une macromolécule composée d’une répétition de molécules identiques appelés monomères. La polymérisation est donc la réaction qui associe les monomères pour former une molécule plus grande appelée macromolécule ou polymère. Certains polymères existent naturellement comme l’ADN (acide désoxyribonucléique), d’autres polymères sont d’origine synthétique comme les polymères utilisés pour la conception des plastiques.
Le mot « plastique » est issu du latin « plasticus » qui est issu du grec « plastikos » se traduisant par « relatif au modelage ».
Car en effet la matière plastique est le mélange à base de polymères pouvant être moulé pour concevoir un produit, un objet. Il existe donc naturellement une vaste multitude de matières plastiques différentes. Dans l’industrie le plastique résulte de nombreuses transformations du polymère et de l’ajout de charges, plastifiants et additifs.
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Introduction : les atomes et les molécules
Pour pouvoir étudier le plastique à l'échelle moléculaire il est nécessaire de connaître certaines bases de la chimie comme les atomes et les molécules.
Qu’est-ce qu’un atome ?
Un atome est l’élément de base de la matière, il est composé d’un noyau constitué de neutrons et de protons appelés nucléons. Autour du noyau des électrons composent la partie externe. Les nucléons et électrons sont des particules élémentaires possédant une charge élémentaire. Les protons sont chargés positivement, les neutrons sont électriquement neutres et les électrons sont chargés négativement. De ce fait l’atome est dit électriquement neutre.
Le schéma ci-dessous nous permettra de visualiser le modèle de l’atome.
Les électrons de l’atome se répartissent sur plusieurs couches appelées couches électroniques. Ils remplissent dans l’ordre les couches K,L,M. La couche K peut contenir deux électrons tandis que la couche L peut en contenir 8 et la couche M peut en contenir 18.. Les électrons remplissent une couche seulement lorsque la précédente est saturée.
Plusieurs atomes peuvent former une molécule, un ensemble d’atomes électriquement neutre. Pour y parvenir les atomes se lient entre eux grâce à des liaisons covalentes : ces liaisons lient les atomes en associant deux électrons de la couche électronique externe des atomes. L’association de deux électrons forme un doublet d’électrons appelés doublet liant. S’il reste des électrons sur la couche externe alors ils forment des doublets non liants. Les atomes forment des molécules dans le but de saturer leur couche externe et ainsi devenir chimiquement stables.
Pour illustrer ce phénomène, prenons comme exemple la formation d’une molécule d’eau :
doublet non liant
couche L
couche K
électron
liaison covalente
couche K
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L’atome d’oxygène (K)2 (L)6 cherche à saturer sa couche externe L, il lui manque donc 2 électrons. Pour ce faire il doit former des liaisons covalentes pour obtenir 2 électrons supplémentaires.
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L’atome d’hydrogène (K)1 cherche à saturer sa couche externe K, il lui manque donc 1 électron supplémentaire.
L’atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène vont donc former deux liaisons covalentes pour devenir tous les trois stables. Une molécule H2O est formée.
2. Polymérisation
La formation de polymère résulte d’une réaction chimique. Une réaction chimique peut se traduire par une équation bilan dans laquelle intervient des réactifs qui se transforment en produits. Les réactifs comme les produits peuvent être des molécules, des atomes ou des ions (des atomes qui ont gagné ou perdu un ou plusieurs électrons). Dans le cas d’une réaction résultant d’une polymérisation seules des molécules sont engagées.
Les réactions donnant un polymère peuvent différer. On identifie donc deux grandes familles : la polycondensation ou polymérisation par étape et la polymérisation en chaine.
Pour mieux comprendre la polymérisation on utilisera le terme de monomère pour désigner les molécules qui sont engagées dans une polymérisation.
Il est possible de classer les polymères selon plusieurs grandes familles, ainsi il est possible de faire des rapprochements entre les différents polymères Ceci nous permettra de classer les différents exemples de plastiques que nous verrons et ainsi déterminer quels polymères possèdent quelles propriétés.
Les polymères peuvent tout d’abord être classés selon leur origine :
Avant de voir des exemples de plastiques industriels il faut savoir que les polymères obtenus ne sont pas utilisés directement par les industries. En effet comme nous l’a dit le préparateur physique de notre lycée s’intéressant aux polymères, la production d’une matière plastique finie dépend de plusieurs autres opérations après la synthétisation d’un polymère. Ces polymères subissent en effet plusieurs autres opérations comme l’ajout d’additifs pour concevoir un produit fini. De plus les industries utilisent à leur avantage les pertes s’élevant à hauteur de 15 % pour faire des bénéfices dans ce secteur où les pertes sont parfois nombreuses.
Nous allons commencer par étudier les polymérisations qui servent de bases à la synthèse des plastiques les plus vendus sur le marché.
Débutons par un plastique non biodégradable le polyéthylène pour mieux comprendre la différence qu’il peut y avoir entre un plastique non biodégradable et un plastique biodégradable à l’échelle moléculaire.
Nous n’avons pas choisi par hasard d’analysé le polyéthylène. En effet c’est le principal polymère utilisé par la firme transnationale américaine Tupperware dont nous avons eu la possibilité de rencontrer le directeur qualité, Christophe Aline, installé en France.
Après avoir bénéficié d’un exposé sur la firme spécialisé en accessoires de cuisine nous avons pu en apprendre un peu plus sur le polyéthylène.
Ce polymère fut l’élément de base du premier bol hermétique inventé en 1946 par Ear Tupper. Ce dernier en fera le produit phare de Tupperware la société qu’il fonda la même année.
Nous allons maintenant voir qu’est-ce qui caractérise ce polymère.
Le polyéthylène est un polymère synthétisé par polymérisation.
Le polyéthylène est issu de la polymérisation de monomères d’éthylène.
Le polyéthylène appartient aux groupes des polyoléfines, c’est donc un polymère servant de base à une matière thermoplastique. Etant un polyoléfine le polyéthylène est translucide, résistant au froid et facile à modeler.
Il existe plusieurs formes de polyéthylènes dont on en retiendra deux qui varient selon la densité du polymère. On trouve ainsi du polyéthylène à haute densité (HDPE) et du polyéthylène à faible densité (LDPE).
Le HDPE est principalement utilisé dans la conception de produits rigides comme des flacons, des réservoirs et donc des récipients culinaires comme le fait Tupperware.
Le LDPE quant à lui est utilisé dans la conception de produits souples comme des sacs, des récipients souples, des sachets.
Le polyéthylène est considéré comme non biodégradable cependant de récentes études tendent à prouver sa biodégradabilité dans certaines conditions.
Il existe aussi depuis peu un polyéthylène dit vert, issu d’une polymérisation à base de d’éthanol produit par fermentation de cannes à sucre qui a été certifié biodégradable.
Dans le cadre de notre TPE qui vise à dénoncer la pollution causée par les plastiques non biodégradables nous avons élaboré notre propre plastique biodégradable crée à base de d’amidon de maïs et de glycérine. Cet aspect-là nous a amené à étudier les plastiques biodégradables dit bioplastiques. Ces bioplastiques sont tous issus de polymérisation de monomères.
Protocole de notre expérience :
Ingrédients nécessaires :
-Maïzena
-eau
-glycérine
Instruments/matériel nécessaires :
-éprouvette graduée ou pipette pour mesurer les volumes d’eau et de glycérine
-une balance pour mesure le poids de maïzena
-une plaque chauffante
-un récipient (casserole ou bécher)
-un agitateur
Etapes :
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Verser l’eau dans le récipient
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Y ajouter la glycérine et agiter la solution
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Tout en remuant ajouter la farine de maïzena
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Chauffer le nouveau mélange jusqu’à ce que celui-ci devienne translucide
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Lorsque le mélange est devenu translucide, le chauffer à feu doux pendant environ 10 minutes en le remuant
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Après donc 10 minutes verser le mélange sur une surface duquel il le sera facile de le décoller lorsqu’il sera sec.
Notre expérience n’impose pas de quantités et de proportions, celles-ci peuvent changer. Il est même préférable comme nous l’avons fait de varier les quantités et donc les proportions pour mieux identifier le rôle des composants dans la réaction.
Nous avons effectué une première fois l’expérience avec 200 gr de farine et 4mL de glycérine.
Nous l’avons réalisé une deuxième fois avec 100 gr de farine et 8mL de glycérine.
Nous l’avons réalisé une dernière fois avec 100gr de farine et 0mL de glycérine
Observations
Avec un ajout plus important de glycérine le mélange nous a parut plus élastique que le mélange réalisé lors de la première expérience.
Et une suppression totale de glycérine dans le mélange rend celui-ci bien plus rigide en le comparant au premier mélange.
Ces observations nous ont permis d’identifier le rôle de la glycérine dans le mélange, celle-ci joue le rôle de colle, elle permet au mélange d’être plus élastique.
Nous verrons par la suite si nos observations et nos hypothèses seront confirmées en étudiant la structure moléculaire de notre polymère biodégradable.
Etudions d’abord les bioplastiques en général. Ceux-ci sont issus de l’association de matières bactériennes ou végétales avec des matières thermoplastiques ou thermodurcissables.
Dans notre cas l’amidon de maïs présente dans sa composition deux polymères naturels : l’amylose et l’amylopectine. On retrouve cependant plus d’amylopectine que d’amylose.
L'amidon a pour propriétés de se gélifier lorsqu'il est chauffer avec de l'eau formant ainsi de l'empois d'amidon. Le schéma ci-dessous témoigne de la structure moléculaire de l'empois d'amidon.
L'empois d'amidon est formé de deux polymères ou macromolécules d’amylose et d’amylopectine. Cette structure est la structure finale de l'amidon dans la composition du polymère biodégradable. Elle témoigne de la polymérisation résultant d'une substance blanche et translucide. Dans la réaction la glycérine agrandit l'espace qu'il y a entre les chaines de la macromolécule pour rendre le plastique plus élastique et moins rigide.
La création de ce plastique biodégradable prouve donc qu'il est possible de créer des polymères d'origine naturel sans synthétiser complètement un polymère comme les polyéthylènes qui sont des polymères polluants.
