COMMENT UN MATÉRIAU ÉLASTIQUE EST-IL SYNTHÉTISÉ? - CHIMIE - 2025

Pour synthétiser un matériau élastique, il faut d'abord savoir de quel type de polymères il est composé; car sinon, l'élaboration d'un plastique ou d'une fibre serait formulée. Sachant cela, les polymères à considérer sont ceux appelés élastomères.

Ainsi, les élastomères constituent des matériaux élastiques; Mais que sont-ils, en quoi sont-ils différents des autres polymères, comment savoir si le matériau synthétisé a vraiment des propriétés élastiques?

Source: Pxhere

L'un des exemples les plus simples d'un matériau élastique est les bandes élastiques (ou élastiques) qui attachent des journaux, des fleurs ou une liasse de billets. S'ils sont étirés, on observera qu'ils se déforment longitudinalement, puis reprennent leur forme d'origine.

Mais, si le matériau est déformé de manière permanente, il n'est pas élastique, mais plastique. Il existe plusieurs paramètres physiques qui permettent de distinguer ces matériaux, tels que leur module d'Young, leur limite d'élasticité et la température de transition vitreuse (Tg).

En plus de ces qualités physiques, les matériaux chimiquement élastiques doivent également répondre à certains critères moléculaires pour se comporter comme tels.

De là naît un large éventail de possibilités, de mélanges et de synthèses, soumis à des variables infinies; tout cela pour converger vers la caractéristique "simple" de l'élasticité.

Matière première

Comme mentionné au début, les matériaux élastiques sont constitués d'élastomères. Ces derniers nécessitent à leur tour d'autres polymères ou des "morceaux moléculaires" plus petits; c'est-à-dire que les élastomères méritent également leur propre synthèse à partir de pré-polymères.

Chaque cas nécessite une étude minutieuse des variables du procédé, des conditions et pourquoi avec ces polymères l'élastomère résultant et, par conséquent, le matériau élastique "fonctionne".

Sans entrer dans les détails, voici une série de polymères utilisés à cet effet:

-Polyisocyanate

-Polyol polyester

-Copolymères d'éthylène et de propylène (c'est-à-dire mélanges de polyéthylène et de polypropylène)

-Polyisobutylène

-Polysulfures

-Polysiloxane

Outre beaucoup d'autres. Ceux-ci réagissent les uns avec les autres à travers différents mécanismes de polymérisation, parmi lesquels: condensation, addition, ou via des radicaux libres.

Par conséquent, chaque synthèse implique la nécessité de maîtriser la cinétique de la réaction, afin de garantir les conditions optimales de son développement. De même, l'endroit où la synthèse aura lieu entre en jeu; c'est-à-dire le réacteur, son type et les variables du procédé.

Caractéristiques moléculaires

Qu'ont en commun tous les polymères utilisés pour la synthèse des élastomères? Les propriétés du premier se synergiseront (le tout est supérieur à la somme de ses parties) avec celles du second.

Pour commencer, ils doivent avoir des structures asymétriques, et donc être aussi hétérogènes que possible. Leurs structures moléculaires doivent nécessairement être linéaires et flexibles; c'est-à-dire que la rotation des liaisons simples ne doit pas provoquer de répulsions stériques entre les groupes substituants.

De plus, le polymère ne doit pas être très polaire, sinon ses interactions intermoléculaires seront plus fortes et il montrera une plus grande rigidité.

Par conséquent, les polymères doivent avoir: des unités asymétriques, non polaires et flexibles. S'ils répondent à toutes ces caractéristiques moléculaires, ils représentent alors un point de départ potentiel pour l'obtention d'un élastomère.

Synthèse d'élastomères

Après avoir sélectionné la matière première et toutes les variables du processus, la synthèse des élastomères se poursuit. Une fois synthétisé, et après une série ultérieure de traitements physiques et chimiques, le matériau élastique est créé.

Mais quelles transformations les polymères sélectionnés doivent-ils subir pour devenir des élastomères?

Ils doivent subir une réticulation ou un durcissement (réticulation, en anglais); c'est-à-dire que ses chaînes polymères se connecteront entre elles par des ponts moléculaires, qui proviennent de molécules ou de polymères bi ou polyfonctionnels (capables de former deux ou plusieurs liaisons covalentes fortes). L'image ci-dessous résume ce qui précède:

Source: Gabriel Bolívar

Les lignes violettes représentent les chaînes polymères ou les blocs "plus rigides" d'élastomères; tandis que les lignes noires sont la partie la plus flexible. Chaque ligne violette peut être constituée d'un polymère différent, plus souple ou rigide par rapport à celui qui précède ou qui se déroule.

Quelle est la fonction de ces ponts moléculaires? Celui de permettre à l'élastomère enroulé sur lui-même (mode statique), de pouvoir se déplier sous une pression d'étirement (mode élastique) grâce à la souplesse de ses maillons.

Le ressort magique (Slinky, par exemple, de Toystory) se comporte légèrement comme les élastomères.

Vulcanisation

Parmi tous les procédés de réticulation, la vulcanisation est l'un des plus connus. Ici, les chaînes polymères sont interconnectées par des ponts de soufre (SSS…).

En revenant à l'image du haut, les ponts ne seraient plus noirs, mais jaunes. Ce procédé est essentiel dans la fabrication des pneus.

Traitements physiques et chimiques supplémentaires

Une fois les élastomères synthétisés, les étapes suivantes consistent à traiter le matériau résultant pour leur donner leurs caractéristiques uniques. Chaque matériau a son propre traitement, parmi lesquels le chauffage, le moulage ou le broyage, ou tout autre "durcissement" physique.

Dans ces étapes, des pigments et d'autres produits chimiques sont ajoutés pour assurer son élasticité. De même, son module d'Young, sa Tg et sa limite d'élasticité sont évalués comme une analyse de qualité (en plus d'autres variables).

C'est alors que le terme élastomère est enterré par le mot «caoutchouc»; caoutchouc silicone, nitrile, naturel, uréthanes, butadiène-styrène, etc. Les caoutchoucs sont synonymes de matière élastique.

Synthèse de bandes élastiques

Enfin, une brève description du processus de synthèse des bandes élastiques sera donnée.

La source de polymères pour la synthèse de ses élastomères est obtenue à partir de latex naturel, plus précisément de l'arbre Hevea brasiliensis. Il s'agit d'une substance laiteuse résineuse, qui subit une purification puis est mélangée avec de l'acide acétique et du formaldéhyde.

A partir de ce mélange, on obtient une dalle, dont l'eau est extraite en la pressant et en lui donnant la forme d'un bloc. Ces blocs sont coupés en petits morceaux dans un mélangeur, où ils sont chauffés et des pigments et du soufre sont ajoutés pour la vulcanisation.

Ensuite, ils sont découpés et extrudés pour obtenir des tiges creuses, à l'intérieur desquelles ils vont occuper une tige d'aluminium avec du talc comme support.

Et enfin, les tiges sont chauffées et retirées de leur support en aluminium, pour être pressées une dernière fois par un rouleau avant d'être coupées; Chaque coupure génère une ligue et d'innombrables coupes en génèrent des tonnes.

Références

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2. Odian G. (1986) Introduction à la synthèse des élastomères. Dans: Lal J., Mark JE (eds) Advances in Elastomers and Rubber Elasticity. Springer, Boston, MA
3. Boîte à outils de robotique douce. (sf). Élastomères. Récupéré de: softroboticstoolkit.com
4. Chapitre 16, 17, 18-Plastiques, fibres, élastomères.. Récupéré de: fab.cba.mit.edu
5. Synthèse d'élastomères.. Récupéré de: gozips.uakron.edu
6. Advameg, Inc. (2018). Élastique. Récupéré de: madehow.com.