Plastiques de synthèse

Les plastiques de synthèse sont des matériaux faits de très longues molécules que les chimistes construisent à partir de petites, qu’on peut façonner quand ils sont mous et qui gardent ensuite leur forme. Certains ramollissent à chaque fois qu’on les chauffe ; d’autres durcissent une fois pour toutes dans le moule. Le premier plastique entièrement synthétique a été la bakélite, que Leo Baekeland a tirée du phénol et du formaldéhyde en 1907. On produit aujourd’hui plus de 400 millions de tonnes de plastiques par an, surtout à partir du pétrole et du gaz naturel.

Ce que c’est

Un plastique est un matériau fait de polymères, des molécules formées de longues chaînes de petits motifs, souvent le même répété un grand nombre de fois, parfois plusieurs motifs différents. La longueur de ces chaînes et leur arrangement permettent de façonner le plastique quand il est mou, puis de lui faire garder sa forme une fois pris. La nature fabrique aussi des polymères : la cellulose du bois et du coton, les protéines de la corne, la résine de la gomme-laque ou la gomme de l’hévéa.

Les plastiques quittent l’usine chimique en granulés ou en poudre, prêts à être fondus et moulés.

On distingue trois groupes de plastiques. Les plastiques naturels s’emploient à peu près tels qu’on les trouve, comme la corne ou la gomme-laque. Les plastiques semi-synthétiques sont des polymères naturels modifiés par la chimie, comme le celluloïd, tiré de la cellulose, ou le caoutchouc vulcanisé. Dans les plastiques entièrement synthétiques, le polymère lui-même est obtenu par synthèse chimique à partir de petites molécules au lieu d’être tiré d’un polymère naturel, même si l’on y ajoute des charges comme la farine de bois. La bakélite a été la première ; le polyéthylène, le PVC, le polystyrène et le nylon ont suivi.

On fabrique chaque année plus de 400 millions de tonnes de plastiques, pour la plupart à partir de combustibles fossiles, surtout le pétrole et le gaz naturel. Leur légèreté et leur faible coût ont pour revers les déchets : les études de l’OCDE et de l’équipe de Roland Geyer montrent toutes deux qu’une faible part seulement des déchets plastiques est recyclée. Le reste est pour l’essentiel enfoui, brûlé ou dispersé dans l’environnement.

Comment ça marche

Les plastiques se rangent en deux familles selon la façon dont leurs chaînes réagissent à la chaleur. Dans un thermoplastique, les chaînes ne tiennent entre elles que par des forces faibles. La chaleur les relâche : le matériau ramollit et coule, puis durcit de nouveau en refroidissant, et on peut le refondre et le remettre en forme bien des fois. Le polyéthylène, le PVC, le nylon et la plupart des emballages sont des thermoplastiques. Dans un thermodurcissable, les chaînes se lient entre elles par des liaisons chimiques en un seul réseau pendant le moulage de la pièce. Après quoi le matériau ne peut plus fondre : chauffé, il se carbonise. La bakélite et la mélamine sont des thermodurcissables.

Les deux familles ne se façonnent pas de la même façon. Les thermoplastiques sont fondus puis injectés dans un moule froid, poussés à travers une filière pour donner des joncs, des tubes ou des films par extrusion, ou soufflés en corps creux comme les bouteilles. Les thermodurcissables ne se moulent qu’une fois. Dans le moulage par compression, la méthode habituelle de la bakélite, on place une charge mesurée de poudre à mouler dans un moule en acier en deux parties, tenu entre des plateaux chauffants. Le piston d’une presse ferme le moule, la chaleur et la pression ramollissent la poudre qui remplit l’empreinte, et cette même chaleur achève la réaction qui la fait durcir.

La poudre à mouler de la bakélite était la résine mêlée à une charge, le plus souvent de la farine de bois, qui permettait de mouler plus vite. Les mouleurs la pressaient dans des presses hydrauliques pour en faire des boîtiers de radio et de téléphone, des prises, des fiches et des interrupteurs, des manches de casserole, des cendriers et des boîtes : des objets qui devaient résister à la chaleur et isoler l’électricité.

Comment faire

Dans l’eau chaude, les granulés de polycaprolactone deviennent transparents et se façonnent alors à la main en crochet.

Un thermoplastique qui ramollit dans l’eau chaude montre ce qui rend les plastiques si faciles à mettre en forme. Le polycaprolactone, un polyester synthétique obtenu au début des années 1930 par l’équipe de Wallace Carothers chez DuPont, fond vers 60 °C et se vend en granulés pour le modelage et les petites réparations, souvent sous des noms comme polymorph. Portez de l’eau à ébullition, versez-la dans un bol qui supporte la chaleur et laissez-la refroidir quelques minutes jusqu’à 60 °C environ. Jetez-y une cuillerée de granulés et attendez qu’ils soient tous passés du blanc au transparent et collés en une seule boule.

Sortez la boule à la cuillère ou à la pince et attendez qu’elle soit assez tiède pour être touchée. Pétrissez-la et façonnez-la : roulez-en un boudin, enroulez une extrémité autour d’un crayon pour faire un crochet, ou moulez-la autour du bout d’une poignée de tiroir branlante. Elle redevient blanche et durcit en refroidissant ; un passage dans l’eau froide accélère la prise. Si la forme ne convient pas, remettez la pièce dans l’eau chaude et recommencez. Un thermodurcissable ne se laisserait pas retravailler ainsi.

L’eau tout juste bouillie brûle, et le cœur de la boule reste chaud quand l’extérieur semble tiède. Manipulez les granulés à la cuillère ou à la pince, testez la boule sur le dos de la main avant de la pétrir et gardez le bol hors de portée des jeunes enfants.

Histoire et évolution

On a façonné des plastiques naturels bien avant que la chimie en invente de nouveaux. La corne et l’écaille de tortue étaient ramollies à la chaleur et pressées, et au XIXe siècle on moulait la gomme-laque, la gutta-percha et le caoutchouc vulcanisé.

Les premiers plastiques fabriqués en usine étaient semi-synthétiques. En 1862, Alexander Parkes a présenté la parkésine, à base de nitrate de cellulose, à l’Exposition internationale de Londres, mais la société qu’il a fondée en 1866 pour la produire a échoué. En 1869, aux États-Unis, John Wesley Hyatt a assoupli le nitrate de cellulose avec du camphre et obtenu le celluloïd, qui imitait l’ivoire, la corne et l’écaille. Hyatt et son frère ont commencé à le fabriquer à Albany en 1870.

Un téléphone des années 1930, l’un des objets faits de bakélite moulée.

Leo Baekeland, chimiste belge installé à New York, cherchait un substitut à la gomme-laque, une résine naturelle employée comme isolant électrique. En 1907, il a trouvé comment régler la chaleur et la pression appliquées à une résine de phénol et de formaldéhyde, alors tirés de la distillation du goudron de houille et de l’esprit-de-bois. Mêlé à des charges, le produit donnait un plastique dur, moulable, qui ne fondait plus. La bakélite a été le premier plastique entièrement synthétique. Baekeland a déposé son brevet en 1907 et l’a obtenu en 1909. Le matériau a trouvé ses premiers grands marchés dans le matériel électrique, la radio et l’automobile.

Les chimistes ont ensuite compris ce qu’étaient les polymères. Hermann Staudinger a soutenu qu’il s’agissait de molécules géantes, des macromolécules, et a reçu pour ces travaux le prix Nobel de chimie en 1953. Les firmes chimiques se sont mises à concevoir de nouveaux plastiques, et en 1935 Wallace Carothers a inventé chez DuPont le nylon, un substitut synthétique de la soie. La production de plastiques a fortement augmenté après la Seconde Guerre mondiale.