Utilisation de Plastifiants Polymères

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Le caoutchouc et les plastiques font désormais partie intégrante de la vie moderne, sans laquelle les humains ne peuvent pas vivre. Ces matériaux sont utilisés dans les semelles de chaussures, les chaises de jardin, tous les types de films, DVD, CD, tubes, tuyaux flexibles, pneus, emballages et une foule de nombreux autres produits.

Suivre la technologie des plastiques de pointe signifie que les individus devraient connaître des noms tels que le polyoxyméthylène, le polypropylène, le caoutchouc nitrile, le polyuréthane, etc.- cela peut les laisser considérablement confus. Cependant, dans la majorité des cas, les excellentes propriétés des plastiques précieux utilisés dans toutes ces applications efficaces ne sont pas exclusivement liées aux polymères eux-mêmes.

Tout comme un élève brillant qui obtient de bonnes notes à l’école, les plastiques ont également atteint le sommet de leur classe avec une légère aide supplémentaire. Et cette aide signifie généralement simplement combiner des additifs uniques pour fabriquer des polymères souples, flexibles et résistants aux chocs et aux intempéries. La plupart du temps, les additifs sont ceux qui font du plastique ce qu’il est.

Plastifiants

Les plastifiants sont des types uniques d’additifs. Par exemple, sans plastifiants, le PVC aurait été extrêmement fragile et cassant, et n’aurait pas conquis l’énorme marché comme on le voit aujourd’hui. Sans plastifiants, la majorité des composés de moulage par injection auraient été totalement impropres à cet effet et certains mélanges de caoutchouc n’auraient pas été produits du tout.

Les plastifiants rendent les plastiques élastiques, extensibles, flexibles et plastiques à basse température. Dans la majorité des cas, les produits polymères ne peuvent être fabriqués que sur une base commerciale en intégrant un plastifiant.

En fait, l’invention des plastifiants a été principalement responsable du développement de l’industrie des plastiques. Sans cela, l’industrie ne se serait peut-être pas développée bien au-delà de ce qu’elle était auparavant. En effet, les premiers plastiques, ainsi que les polymères naturels modifiés comme la galalithe ou la nitrocellulose, étaient cassants et durs, et ne pouvaient donc pas être utilisés pour des applications quotidiennes.

Très certainement, cela n’augmente pas exactement la commercialisation d’un matériau nouveau, si, par exemple, les gens doivent s’occuper de leurs peignes comme s’ils étaient en porcelaine de Meissen.

Camphre

Cependant, les plastifiants ont changé tout cela. Le camphre a été le premier à être utilisé dans de vrais plastiques. C’est une substance incolore, dont le parfum rappelle beaucoup un remède contre le rhume, et contient de minuscules cristaux obtenus à partir du bois d’un buisson de laurier chinois appelé Cinnamomum camphora.

Puis, en 1869, un inventeur appelé John Wesley Hyatt et son frère ont rendu la nitrocellulose plus malléable, en mélangeant du camphre avec de la nitrocellulose.

Autres huiles

Hyatt n’a pas été la première personne à essayer de faciliter la manipulation des premiers produits fragiles d’un secteur des plastiques en évolution grâce à l’utilisation d’additifs. Un inventeur tout aussi ambitieux nommé Alexander Parkes avait déjà tenté d’obtenir le même effet en utilisant des huiles végétales ou du goudron de bois, par exemple.

Cependant, il a eu des difficultés à obtenir la bonne recette — son « Parkesin » était modérément facile à traiter, mais après seulement quelques semaines, des articles comme des bracelets pour dames, des peignes et des boucles d’oreilles qui avaient été fabriqués à partir de ce produit spécifique se déformaient à tel point qu’ils ne pouvaient plus être utilisés. C’était probablement parce que les huiles utilisées par Parkes s’évaporaient trop rapidement.

L’huile de banane ou même l’huile de fusel – qui se forme lors de la distillation du whisky — a également été utilisée par d’autres inventeurs mais sans grand succès, si la pénurie de disques est de mise.

Doux comme du Chewing-Gum mais dur comme de la Corne

Le nouveau plastique développé par Hyatt était mieux équipé pour relever les défis posés par le secteur des plastiques récemment émergent. Sur la base de la quantité de camphre qu’il a combinée avec du collodion — une solution de coton à canon, connue chimiquement sous le nom de nitrocellulose —, il a réussi à créer un plastique. Ce plastique était transparent mais pouvait être coloré. Il était aussi flexible que le caoutchouc brut mais aussi dur que la corne. Ce plastique était du celluloïd.

À une température modérée comprise entre 80 ° C et 90 ° C, ce matériau malléable peut être produit sous n’importe quelle forme requise grâce à la formulation parfumée de Hyatt. L’une des toutes premières utilisations de ce matériau était les fausses dents. Cependant, il sentait plus qu’une petite quantité de camphre et, par conséquent, ne répondait pas toujours à l’entière satisfaction de leurs propriétaires. Cependant, comme le matériau pouvait être créé dans une couleur appropriée, il y avait une amélioration significative sur les plaques de caoutchouc résistantes qui avaient été utilisées jusque-là. Par la suite, le même matériau est devenu populaire comme matériau de support idéal pour les films photographiques.

Origine des plastiques modernes

C’est un fait que pendant un certain temps, le celluloïd développé par Hyatt a dû surmonter de nombreux défis dus à son association étroite avec le coton à canon. De minuscules explosions se sont produites lorsque des boules de billard composées de nitrocellulose se sont écrasées les unes avec les autres. Selon des témoins oculaires, les explosions étaient si énormes que les cow-boys se tenaient autour de la table de billard pour aller chercher leurs armes.

Un article de magazine a également cité l’histoire d’une dame dont la soirée est devenue encore plus excitante lorsque les boutons en celluloïd épinglés sur sa robe de soirée se sont approchés d’une cheminée et se sont enflammés. À une occasion, toute une usine de celluloïd a explosé. Cependant, ces incidents ne cachaient pas le fait que Hyatt avait mis au point le premier thermoplastique, et qu’il était un plastifiant qui a contribué à conduire aux plastiques d’aujourd’hui.

Mais même après Hyatt, l’histoire des plastiques a continué d’être étroitement associée à celle de ses plastifiants. Puis en 1946, une demande de plusieurs centaines de tonnes d’un plastique triacétate de cellulose fragile était en cours. Ce plastique avait été utilisé, entre autres, dans la fabrication de vitres d’avions.

Le plastique était inutilisé dans l’enceinte d’une usine, c’est à ce moment qu’un chimiste créatif a eu l’idée d’intégrer le matériau à un plastifiant. Cela a abouti à un nouveau matériau de moulage par injection. En 1952, la cellule récemment plastifiéeil s’appelait « Cellidor » et était l’incarnation parfaite de la polyvalence. Dans les années 1950, Cellidor a été utilisé pour fabriquer des boîtiers pour peignes, tableaux de bord, radios, montures de lunettes, poignées de tournevis, lames de cheveux, etc.

Plastifiants dans le caoutchouc

L’industrie du caoutchouc a également utilisé des plastifiants pour affiner ses produits. Un pétrissage intensif rend le caoutchouc non vulcanisé aussi doux que le chewing-gum, car le processus de pétrissage décompose les molécules à longue chaîne du polymère. Mais cela signifie que d’autres caractéristiques majeures de ce matériau utile sont également perdues.

Pour cette raison, les chercheurs en caoutchouc ont pris un départ précoce en combinant tous les types de composants liquides dans leurs formulations noires — huiles, brai, goudron de houille, paraffine, terpènes (comme le camphre) et même de la vaseline. Cela signifiait que le mélange de caoutchouc brut était suffisamment collant pour divers ingrédients solides même lorsque la taille des molécules de caoutchouc n’est pas considérablement réduite. Le noir de carbone est un exemple d’ingrédient solide qui peut être malaxé sans effort dans le mélangeur.

Ces facteurs démontrent l’importance de ces plastifiants discrets par rapport au traitement des polymères — et comment ils peuvent transformer complètement les caractéristiques de ce qui était à l’origine un matériau polymère relativement peu attrayant. Paradoxalement, ce pouvoir extraordinaire démontre également le fait que même d’éminents historiens de la chimie ont actuellement du mal à acquérir des informations sur la technologie des plastifiants.

Les « bons » plastifiants sont à un point tel que les informations recueillies sur les performances du plastique au fil des ans ont disparu dans les coffres des entreprises utilisant des polymères. Avec le temps, cela signifiait que les plastifiants devenaient des substances utilitaires relativement anonymes.

Les descendants modernes du Camphre

Cependant, il est un fait connu qu’en dehors de Hyatt, d’autres ont également commencé à utiliser le camphre. En effet, les deux tiers de tous les camphres synthétisés dans le monde sont utilisés pour produire du celluloïd, même aujourd’hui.

Une encyclopédie de chimie de 1931 avec le chapitre intitulé « plastifiants » énumérait également le terpène, en plus des esters de glycérol, des phtalates et des phosphates organiques comme le phosphate de tricrésyle.

Ces composés rendent les plastiques flexibles et améliorent également leur potentiel ignifuge à tel point que l’acétate de cellulose, successeur du celluloïd, a pu surmonter l’un des principaux inconvénients du plastique d’origine. Par exemple, l’inflammabilité du plastique a été évitée après avoir été élastifiée avec une combinaison de phosphates et de camphre.

La technologie de pointe connaît environ 400 substances — c’est-à-dire des substances exotiques et des « batteuses du monde » – qui sont utilisées comme plastifiants sous une forme ou une autre. Environ 100 de ces substances ont une valeur commerciale majeure.

Quantités de plastifiants

Au milieu des années 1990, plus de 4,2 millions de tonnes de plastifiants étaient utilisées. Aujourd’hui, environ 90% de tous les plastifiants sont utilisés dans le PVC — un plastique qui, dans sa forme de base, est pratiquement aussi fragile que le verre et serait totalement inutile pour la majorité des applications si les plastifiants ne représentaient pas environ 55% de son contenu. Même le PVC rigide peut contenir environ 12% de plastifiants connus pour améliorer sa processabilité.

Selon le type d’application, d’autres polymères utilisent des plastifiants en de nombreuses quantités différentes. Le papier contient environ 5 % de plastifiants, jusqu’à 10 % de matériaux thermoplastiques et parfois jusqu’à 60 % d’élastomères%; certains plastiques contiennent également 95% de plastifiants.

Fonctionnement des plastifiants

Essentiellement, tous les plastifiants sont basés sur le même principe et sont pratiquement explicites, à condition que les individus puissent comprendre de quoi sont composés les plastiques à l’intérieur. Le « plastique » contient invariablement des molécules à très longue chaîne qui apparaissent comme de longs fils sous un grossissement extrêmement élevé. Un plastique devient flexible lorsque ces fils sont vaguement entrelacés.

Cependant, dans le cas d’une majorité de plastiques, ces fils ont tendance à se coucher les uns sur les autres comme des spaghettis emballés. En fait, lorsque quelqu’un jette avec désinvolture des spaghettis dans une casserole sans les remuer pendant la cuisson et les tamise plus tard, à l’exception des brins de pâtes vaguement emmêlés, il y aura également des zones où les brins de pâtes sont toujours attachés ensemble tels qu’ils étaient dans le sac. Ces grumeaux semblent légèrement plus durs que les autres, bien que les pâtes elles-mêmes soient complètement cuites et molles.

Une chose similaire se produit en ce qui concerne les molécules de chaîne des plastiques. Une structure rigide analogue aux cristaux de composition strictement régulière permet au plastique d’avoir l’air rigide du côté extérieur. Tant dans le tube à essai que dans la casserole, la règle est la suivante: la structure rigide est dure et faiblement emmêlée est flexible.

Chimie

C’est là que les plastifiants ont un rôle à jouer. Dans la plupart des cas, que l’on parle d’huile minérale ou de camphre, les molécules sont relativement plus petites que les molécules de chaîne du matériau polymère. Ils sont entrelacés dans leur structure en forme de spaghetti lors du traitement du plastique.

Ces molécules se frayent ensuite un chemin entre les fils voisins des molécules plastiques et les distinguent les unes des autres. Ils agissent de la même manière que l’huile sur une assiette de spaghettis, où elle permet aux brins de pâtes de glisser les uns sur les autres. Cela suggère qu’il est possible de produire une structure lâche et librement mobile — le plastique s’avère flexible et lorsque plus de plastifiant est ajouté, il devient encore plus flexible. Cette corrélation simple permet d’élucider toute une gamme de produits essentiels pour le travail d’un chimiste en plasturgie.

Dans une large mesure, l’expertise d’un développeur de matériaux réside dans la capacité d’identifier des substances bien adaptées au plastique utilisé. Il n’est pas possible d’entrelacer des substances hydrophiles en molécules hydrofuges, par exemple celles du caoutchouc non vulcanisé, car les deux substances se sépareraient tout comme l’huile et l’eau.

Il est également crucial de choisir un plastifiant qui offre un ajustement idéal en ce qui concerne sa propre configuration moléculaire et les molécules de chaîne plastique cibles. Les molécules de chaîne ne sont pas aussi comparables les unes aux autres que les brins de spaghetti — certains polymères peuvent ressembler à des pâtes plates, tandis que d’autres ressemblent à une chaîne de tubes de néon épais reliés entre eux par des fils minces, ou ont une apparence en zigzag. D’autres encore ressemblent à des colliers faits de perles extrêmement grasses. Néanmoins, le celluloïd de Hyatt était celui qui a connu le succès. En effet, les molécules de camphre s’ajustaient assez bien entre les molécules de coton à canon qui étaient moulées comme un collier de perles.

Cependant, tous les plastifiants ne conviennent pas à tous les polymères. Un autre fait est que chaque plastifiant a un impact différent sur sa « molécule hôte ». »Alors qu’un plastifiant offre un plus grand niveau de flexibilité à des températures plus basses, un autre est spécifiquement développé pour empêcher les plastiques de se liquider à des températures élevées. Pendant ce temps, il existe d’autres plastifiants qui rendent les plastiques plus flexibles et se comportent également comme une sorte d’extincteur intégré capable d’éteindre les flammes dans leurs toutes premières étapes. Les plastifiants accomplissent cela en se décomposant en présence de chaleur pour créer des substances résistantes aux flammes.

Un problème – De nombreuses solutions

Au fil des ans, le carnet de commandes du secteur des plastiques pour les plastifiants s’est transformé en une agglomération non organisée de produits chimiques. Cependant, il est régi par plusieurs « grandes familles » de produits.

Les phtalates sont utilisés dans les films et câbles en PVC, les adhésifs cellulosiques et les revêtements. Avec les dicarbonates, le PVC flexible devient élastique à basse température. Les phosphates sont utilisés à la fois comme fluide hydraulique et comme retardateur de flamme. Les esters d’acides gras – les parents éloignés de la margarine — sont utilisés pour plastifier les revêtements de sol en caoutchouc et en résine vinylique. Pour certaines applications, les technologues en matière plastique se tournent également vers les esters d’acide tartrique et d’acide citrique.

Dangers

Très certainement, il faut se rappeler que malgré l’effet bénéfique des plastifiants sur la technologie des plastiques, ils ont aussi leurs inconvénients. Dans un passé récent, on soupçonnait que les phtalates étaient nocifs pour la santé. Bien que des preuves concluantes restent à obtenir, des études sont en cours.

Heureusement, quel que soit le résultat de cette discussion, cela n’implique nullement que tous les plastifiants doivent être condamnés: après tout, un seul plastifiant n’est pas le même que le suivant, comme le démontre le camphre, qui se trouve être un produit naturel.

Alternatives

Pendant ce temps, certains produits très utiles ont été créés qui remplacent les phtalates. De tels produits se présentent sous la forme d’une série de substances dont les membres sont appelés « alkylsulfonates. »Il était connu depuis longtemps que les sulfonates d’alkyle n’avaient aucun effet indésirable et avaient été approuvés comme étant sans danger pour l’utilisation alimentaire dans la majorité des pays.

Les sulfonates d’alkyle, qui sont déjà utilisés à la place des phtalates controversés dans les gants, les figurines de jouets, les poupées et les membranes pour les lits d’eau, se trouvent dans les mastics du secteur de la construction, et sont utilisés dans les bottes Wellington et les aides à la natation. En outre, le matériau offre une gamme complète d’avantages supplémentaires — par exemple, il est différent de nombreux autres plastifiants et n’est pas attaqué par l’eau et les éléments, et il en résulte également des produits propices à l’impression. C’est un facteur important lorsqu’il s’agit de créer des pataugeoires pour enfants aux couleurs vives produites à partir de film PVC, entre autres.

La forme brute du PVC est un plastique fragile, pratiquement semblable à du verre, qui serait presque inutile s’il n’y avait pas de plastifiants. Les sulfonates d’alkyle rendent le PVC élastique et résistant à la saponification et aux intempéries.

Molécules de plastifiant dérivantes

Récemment, des chercheurs de l’industrie ont trouvé une solution au problème des molécules de plastifiant dérivantes. Les minuscules particules de plastifiants contenues dans les plastiques sont incroyablement mobiles. Dans des circonstances spécifiques, les particules se déplacent comme du miel dans une éponge. Dans le plastique, le mouvement de certaines molécules de plastifiant prend fin tôt ou tard lorsqu’elles atteignent la surface et créent un film gras peu attrayant.

Les femmes au foyer ne sont pas les seules à le savoir. Des plastifiants uniques qui ont été formés pour rester au même endroit à l’intérieur du polymère — par exemple, en leur fournissant des molécules à longue chaîne – peuvent empêcher le caoutchouc et le plastique de développer une surface grasse ou émoussée.

De plus, les chercheurs ont créé des plastifiants sans halogène sur mesure pour les cartes de circuits électroniques, de sorte que le plastique fragile utilisé pour les produire ne se casse pas lorsque les cartes sont percées, perforées et soudées.

Croissance et développement de l’industrie

Le secteur des plastifiants est largement impliqué dans les produits conventionnels. Bien qu’il soit assez inhabituel de consacrer autant d’efforts au développement de produits, cela porte vraiment ses fruits.

Au cours des deux dernières années, le marché des plastiques a enregistré une croissance de seulement 4%, mais malgré cela, les ventes de certains plastifiants spécialisés ont augmenté d’environ 15%, au cours de la même période. Ce chiffre suffit à lui seul à montrer que le dernier chapitre de la longue histoire des plastifiants n’est pas encore écrit: les plastiques innovants et les dernières exigences imposées aux produits qui en sont constamment fabriqués nécessitent des solutions innovantes. Ici, seul le cerveau collectif des experts en matière plastique peut rendre justice à ceux-ci.

Plastifiants naturels

Cependant, pour en revenir aux plastifiants, les produits chimiques plastifiants émergeant des creusets et des flacons du secteur chimique ne sont pas les seuls présents dans le monde entier. Étant donné que la nature contient également en partie des polymères, elle a également besoin de substances pour s’assurer que ces polymères continuent d’être flexibles.

Les amidons, l’ADN, les protéines, le bois et même les pierres contiennent essentiellement des molécules à chaîne longue et parfois interconnectées spatialement. La nature utilise l’eau comme plastifiant principal. Les fibres naturelles comme le coton, la laine ou la soie seront fragiles sans leur teneur en eau.

De plus, l’excès d’eau maintient les protéines musculaires flexibles. À un âge avancé, la teneur en eau diminue, tandis que les graisses jouent plus ou moins le rôle de plastifiant avec succès. L’industrie des plastiques n’est pas la seule à dépendre des plastifiants, mais même mère nature ne peut pas s’en passer. Les fibres musculaires sont composées de molécules de chaîne similaires à celles présentes dans les plastiques. Tout comme les polymères contemporains, les fibres musculaires contiennent leurs propres plastifiants sous forme de molécules de graisse et d’eau.

En outre, l’eau peut être utilisée pour adoucir le quartz, qui est connu pour être un matériau très dur — alors que le quartz naturel dur ne contient que 0,01% d’eau, pour des raisons techniques, le quartz artificiel en contient environ 10 fois cette quantité. Le quartz artificiel peut être moulé de manière similaire au plâtre à 400 ° C — une température facilement tolérée par les minéraux — tandis que le quartz naturel « sec » reste clairement « solide comme la roche » jusqu’à une température de 1000 ° C.

C’est un excellent exemple du fait que l’utilisation de plastifiants en technologie ne se limite pas nécessairement aux plastiques. Les personnes qui pensent dur à la poignée incurvée de leurs parapluies sauraient qu’une sorte de procédure est utilisée pour rendre le bois flexible.

La vapeur d’eau chaude peut en effet être utilisée pour adoucir le bois, mais l’ammoniac liquide, lorsqu’il est mélangé à des solvants organiques comme le tétrahydrofurane, le diméthylsulfoxyde ou le polyéthylène glycol, fait encore mieux le travail. Une formulation spécifique comme celle-ci permet même aux individus de faire des nœuds dans des bâtons de marche. Après l’évaporation de l’ammoniac, le bois revient à son état d’origine, c’est—à-dire à son état fraîchement coupé.

Émergeant du Moyen Âge des plastiques

Il y a plus de cent ans, les plastiques sont devenus connus grâce à l’invention de Hyatt. Par conséquent, il n’est pas surprenant que les professions qui ont jusqu’à présent été associées à la préservation des pigments anciens soient maintenant confrontées aux problèmes des plastifiants. Par exemple, les restaurateurs se battent actuellement pour maintenir les combinaisons spatiales qui ont été portées par les astronautes d’Apollo sur la lune et qui sont arrivées sur Terre en bon état.

Ces combinaisons spatiales contenaient des tubes en PVC plastifiés à l’aide d’un phtalate. Après avoir passé plus de trois décennies dans un musée, cette substance liquide s’est diffusée hors du polymère, d’une manière typique de tous les plastifiants à la dérive. En conséquence, les tubes d’alimentation sont devenus fragiles. Ce qui était autrefois considéré comme le summum de la technologie des combinaisons spatiales est maintenant devenu moins durable par rapport aux harnais de chevaliers vieux de plusieurs centaines d’années. En regardant les choses de ce point de vue, on peut donc conclure que les humains sont encore au soi-disant Moyen Âge de la technologie des plastiques.