Qu’est-ce qu’un polymère ? Définition, types et exemples

Un polymère est une macromolécule, c’est-à-dire une molécule composée de centaines ou de milliers d’atomes, qui se forme à partir de l’union successive d’une même petite molécule. Le terme « polymère » vient de la conjonction du préfixe grec poli , qui signifie « beaucoup », avec le suffixe mer , qui signifie « partie ». Le mot a été inventé par le chimiste suédois Jons Jacob Berzelius en 1833.

Le développement des polymères

Les polymères naturels sont utilisés depuis des temps immémoriaux, mais la capacité de synthétiser des polymères est un développement récent. Le premier matériau développé à partir d’un polymère était la nitrocellulose . Le procédé a été mis au point en 1862 par le chimiste britannique Alexander Parkes : il a combiné la cellulose naturelle avec de l’acide nitrique et un solvant, et avec un traitement ultérieur avec du celluloïd produit au camphre , un polymère largement utilisé dans l’industrie cinématographique. La dissolution de la nitrocellulose dans l’éther et l’alcool produit du collodion ; ce polymère était utilisé comme pansement chirurgical.

La vulcanisation du caoutchouc a été une autre étape importante dans le développement des polymères. Le chimiste allemand Friedrich Ludersdorf et l’inventeur américain Nathaniel Hayward ont découvert que l’ajout de soufre au caoutchouc naturel améliorait considérablement ses propriétés. Le processus de vulcanisation du caoutchouc en ajoutant du soufre et en appliquant de la chaleur a été décrit par l’ingénieur britannique Thomas Hancock en 1843 et le chimiste américain Charles Goodyear en 1844.

En 1926, Hermann Staudinger expliqua la structure chimique de ces matériaux et proposa la structure du polystyrène et du polyoxyméthylène , toujours valable aujourd’hui. Son modèle a établi que de longues chaînes d’atomes formées par l’union répétitive par des liaisons covalentes d’une petite molécule étaient générées. Hermann Staudinger a reçu le prix Nobel de chimie en 1953 pour ses travaux.

Comment se forment les polymères ?

La formation d’un polymère, c’est-à-dire la polymérisation, est une réaction chimique dans laquelle deux liaisons sont générées dans une petite molécule, généralement des liaisons covalentes, dans lesquelles d’autres unités de la même molécule sont jointes. Ce processus est répété un grand nombre de fois formant une longue chaîne d’atomes. La molécule qui compose le polymère s’appelle un monomère .

Prenons un exemple : le polyéthylène, un plastique largement utilisé qui est le polymère le plus simple.

Le monomère de polyéthylène est l’éthylène, une molécule organique simple qui a deux atomes de carbone liés par une double liaison avec deux atomes d’hydrogène attachés à chaque atome de carbone, comme le montre la figure ci-dessus. Les liaisons carbone sont covalentes. Si la double liaison est rompue, chacun des atomes de carbone a une liaison covalente disponible pour joindre d’autres atomes constituant l’unité structurelle, comme le montre la figure suivante.

L’union répétée de cette unité structurale génère une longue molécule linéaire, sans ramifications : le polyéthylène (voir figure suivante).

Un autre exemple est l’obtention de polystyrène, un polymère aux multiples applications. Le monomère du polystyrène est le styrène, une molécule qui possède un cycle benzénique lié à deux atomes de carbone par une double liaison. Comme dans le cas du polyéthylène, la rupture de la double liaison génère l’unité structurale qui, jointe à plusieurs reprises, constitue une longue chaîne qui forme le polystyrène (voir figure suivante).

polymères

Dans la nature, il existe de nombreux matériaux et molécules générés par des êtres vivants qui sont des polymères. Les protéines, les acides nucléiques, l’ADN, les polysaccharides comme la cellulose, sont des exemples de polymères naturels. Comme nous l’avons déjà vu, d’autres polymères tels que la nitrocellulose et le caoutchouc vulcanisé sont des polymères artificiels obtenus à partir de polymères naturels. Et les polymères artificiels sont obtenus en laboratoire et industriellement par des réactions chimiques ; Le chlorure de polyvinyle (PVC), le polyéthylène, le polystyrène, le néoprène et le nylon sont quelques exemples du vaste éventail de polymères artificiels utilisés dans une grande variété d’applications.

Les polymères synthétiques sont regroupés en deux catégories : les polymères thermoplastiques et les polymères thermodurcissables . Les polymères peuvent être obtenus par une réaction chimique ou à partir d’un mélange de substances solides ou à partir d’une solution dans laquelle la polymérisation est induite par la chaleur ou par l’application d’un rayonnement gamma, dans une réaction irréversible.

• Une fois la réaction terminée, les polymères thermodurcissables ont tendance à être rigides et se dégradent ou se décomposent sans ramollir lorsqu’ils sont chauffés au-dessus d’une certaine température. Les résines époxy, le polyester, les résines acryliques et le polyuréthane sont des polymères thermodurcissables, tout comme la bakélite, le kevlar et le caoutchouc vulcanisé.
• Les polymères thermoplastiques, contrairement aux thermodurcissables, sont souples et se ramollissent et fondent au-dessus d’une certaine température, ce qui leur permet d’être moulés. Quelques exemples de polymères thermoplastiques sont le nylon, le téflon, le polyéthylène et le polypropylène.

L’une des applications des polymères artificiels est la fabrication de fibres avec lesquelles sont fabriqués des tissus. Ces polymères doivent avoir une grande élasticité pour permettre leur manipulation dans les procédés de fabrication et dans leur utilisation finale, et une faible extensibilité pour conserver leurs dimensions. Une autre application des polymères est dans les adhésifs ; Dans ce cas, une polymérisation doit se produire lors de l’application du produit, par exemple par une réaction chimique avec de la vapeur d’eau dans l’air ou sur les parties où la colle est appliquée, comme c’est le cas avec les cyanoacrylates utilisés dans les applications domestiques, industrielles et de fermeture de plaies. . Les élastomères sont une autre application répandue des polymères; Ce sont des matériaux qui se déforment lorsqu’une force est appliquée.

Les revêtements, les peintures, les pièces et composants qui composent les mécanismes et les structures, divers matériaux de construction, les isolants électriques et thermiques, font partie de l’immense variété d’applications des polymères.

Sources

JR Wunsch. Polystyrène-Synthèse, Production et Applications . iSmithers Rapra Publishing, 2020.

Donald V. Rosato, Marlene G. Rosato, Nick R. Schott Plastics technology handbook. fabrication, composites, outillages, auxiliaires . Momentum Press, 2012.

Polymère : description, exemples et types . Encyclopédie Britannica , 2020.

William B. Jensen L’origine du concept de polymère . Journal of Chemical Education 85 (5): 624, 2008.