BAKÉLITE: STRUCTURE, PROPRIÉTÉS, OBTENTION ET APPLICATIONS - CHIMIE - 2025

La bakélite est une résine polymère de phénol et de formaldéhyde, la définition chimique précise et est un hydroxyde de polioxibenciletilenglicol. L'émergence et la commercialisation de ce matériau ont marqué l'aube de l'ère du plastique; il occupait et faisait partie d'innombrables objets ménagers, cosmétiques, électriques et même militaires.

Son nom vient de son inventeur: le chimiste américain né en Belgique, Leo Baekeland, qui en 1907 a réalisé la production et l'amélioration de ce polymère; puis fondant la General Bakelite Company en 1910. Dans un premier temps, tout en modifiant les variables physiques impliquées, la bakélite se composait d'un solide spongieux et cassant de peu de valeur.

Téléphone rétro en polymère bakélite. Source: Pexels.

Après huit ans de travail en laboratoire, il a réussi à obtenir une bakélite suffisamment solide et thermostable, d'une valeur élevée en raison de ses propriétés. Ainsi, la bakélite a remplacé d'autres matières plastiques d'origine naturelle; le premier polymère purement artificiel est né.

De nos jours, cependant, il a été remplacé par d'autres plastiques, et on le trouve principalement dans les accessoires ou objets du XXe siècle. Par exemple, le téléphone de l'image ci-dessus est en bakélite, tout comme de nombreux objets d'une couleur noire similaire à celle-ci, ou ambre ou blanc (ressemblant à de l'ivoire en apparence).

Structure en bakélite

Formation

Formation d'une structure de type réseau tridimensionnel de polymère phénol-formaldéhyde, bakélite. Source: MaChe.

Défini la bakélite comme une résine polymère de phénol et de formaldéhyde, les deux molécules doivent alors se conformer à leur structure, liées de manière covalente d'une manière ou d'une autre; sinon, ce polymère n'aurait jamais présenté ses propriétés caractéristiques.

Le phénol consiste en un groupe OH lié directement à un cycle benzénique; tandis que le formaldéhyde est une molécule de O = CH ₂ ou CH ₂ O (image du haut). Le phénol est riche en électrons, car l'OH, bien qu'il attire les électrons vers lui-même, contribue également à leur délocalisation à travers l'anneau aromatique.

Étant riche en électrons, il peut être attaqué par un électrophile (espèce avide d'électrons); comme par exemple la molécule CH ₂ O.

Selon que le milieu est acide (H ⁺) ou basique (OH ^-), l'attaque peut être électrophile (le formaldéhyde attaque le phénol) ou nucléophile (le phénol attaque le formaldéhyde). Mais au final, le CH ₂ O remplace un H du phénol pour devenir un groupe méthylol, -CH ₂ OH; -CH ₂ OH ₂ ⁺ en milieu acide, ou -CH ₂ O ^- en milieu basique.

En supposant un milieu acide, -CH ₂ OH ₂ ⁺ perd une molécule d'eau en même temps que l'attaque électrophile d'un deuxième cycle phénolique se produit. Un pont méthylène, -CH ₂ - est alors formé (coloré en bleu sur l'image).

Substitutions ortho et para

Le pont méthylène ne lie pas deux cycles phénoliques à des positions arbitraires. Si la structure est observée, il sera possible de vérifier que les liaisons sont en positions adjacentes et opposées au groupe OH; ce sont respectivement des positions ortho et para. Ensuite, des substitutions ou des attaques vers ou depuis le cycle phénolique se produisent à ces positions.

Tridimensionnalité du réseau

En se souvenant des hybridations chimiques, le carbone des ponts méthylène est sp ³; c'est donc un tétraèdre qui place ses liaisons à l'extérieur ou au-dessous du même plan. Par conséquent, les anneaux ne se trouvent pas dans le même plan, et leurs faces ont des orientations différentes dans l'espace:

Segment de la structure tridimensionnelle de la bakélite. Source: Wikimedia Commons.

Par contre, lorsque les substitutions se produisent uniquement en -orto positions, une chaîne polymère est obtenue. Mais, à mesure que le polymère croît à travers les positions -para, une sorte de maillage ou réseau tridimensionnel de cycles phénoliques est établi.

En fonction des conditions du procédé, le réseau peut adopter une "morphologie gonflée", indésirable pour les propriétés du plastique. Plus il est compact, mieux il fonctionnera en tant que matériau.

Propriétés

En prenant alors la bakélite comme un réseau de cycles phénoliques reliés par des ponts méthylène, la raison de ses propriétés peut être comprise. Les principaux sont mentionnés ci-dessous:

-C'est un polymère thermodurcissable; c'est-à-dire qu'une fois solidifié, il ne peut pas être moulé sous l'effet de la chaleur, devenant même encore plus aggloméré.

-Sa masse moléculaire moyenne est généralement très élevée, ce qui rend les pièces de bakélite considérablement plus lourdes par rapport aux autres plastiques de même taille.

-Lorsqu'il est frotté et que sa température augmente, il dégage une odeur caractéristique de formaldéhyde (reconnaissance organoleptique).

-Une fois moulé, et comme il s'agit d'un plastique thermodurcissable, il conserve sa forme et résiste à l'effet corrosif de certains solvants, aux augmentations de température et aux rayures.

-C'est un terrible conducteur de chaleur et d'électricité.

-Emet un son caractéristique lorsque deux morceaux de bakélite sont frappés, ce qui permet de l'identifier qualitativement.

-Nouvellement synthétisé, il a une consistance résineuse et est de couleur brune. Lorsqu'il se solidifie, il acquiert différentes nuances de brun, jusqu'à ce qu'il devienne noir. En fonction de son remplissage (amiante, bois, papier, etc.), il peut présenter des couleurs qui varient du blanc au jaune, au marron ou au noir.

Obtention

Pour obtenir la bakélite, il faut d'abord un réacteur où sont mélangés du phénol (pur ou de goudron de houille) et une solution concentrée de formaldéhyde (37%), en maintenant un rapport molaire phénol / formaldéhyde égal à 1. La réaction commence de polymérisation par condensation (car l'eau, une petite molécule) est libérée.

Le mélange est ensuite chauffé sous agitation et en présence d'un catalyseur acide (HCl, ZnCl ₂, H ₃ PO ₄, etc.) ou basique (NH ₃). Une résine brune est obtenue à laquelle plus de formaldéhyde est ajouté et elle est chauffée à environ 150 ° C sous pression.

Plus tard, la résine est refroidie et solidifiée dans un récipient ou moule, accompagnée en plus du matériau de remplissage (déjà mentionné dans la section précédente), ce qui favorisera un certain type de texture et des couleurs souhaitables.

Applications

Planches de bois en plastique. Source: VarunRajendran sur Wikipedia anglais

La bakélite est le plastique par excellence de la première moitié et du milieu du XXe siècle. Téléphones, boîtes de commande, pièces d'échecs, poignées de portes de véhicules, dominos, boules de billard; Tout objet constamment soumis à de légers chocs ou mouvements est en bakélite.

Parce qu'il est un mauvais conducteur de chaleur et d'électricité, il a été utilisé comme plastique isolant dans les boîtiers de circuits, comme composant des systèmes électriques des radios, des ampoules, des avions et de toutes sortes d'appareils essentiels pendant les guerres mondiales.

Sa consistance solide était suffisamment attractive pour la conception de boîtes et de bijoux sculptés. En termes d'ornementation, lorsque la bakélite est mélangée au bois, le second se voit attribuer une texture plastique, avec laquelle des planches ou des planches composites ont été réalisées pour recouvrir les sols (image du haut) et les espaces domestiques.

Références

1. Université Federico II de Naples, Italie. (sf). Résines phénol-formaldéhyde. Récupéré de: whatischemistry.unina.it
2. Isa Mary. (5 avril 2018). L'archéologie et l'âge de la bakélite plastique dans la décharge de Brody. Chou frisé. Récupéré de: campusarch.msu.edu
3. Groupes de la Division de l’éducation chimique du Collège des sciences. (2004). La préparation de la bakélite. Université Purdue. Récupéré de: chemed.chem.purdue.edu
4. Bakelitegroup 62. (sf). Structure. Récupéré de: bakelitegroup62.wordpress.com
5. Wikipédia. (2019). Bakélite. Récupéré de: en.wikipedia.org
6. Boyd Andy. (8 septembre 2016). Leo Baekeland et la bakélite. Récupéré de: uh.edu
7. NYU Tandon. (05 décembre 2017). Lumières, appareil photo, bakélite! Le Bureau des affaires étudiantes organise une soirée cinéma amusante et informative. Récupéré de: engineering.nyu.edu