Theme 3 MATERIAUX - CYCLE DE VIE Séance 1 DES MATERIAUX TRES DIVERS

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1 1. DISTINCTION ENTRE OBJET ET MATERIAU. Les objets, comme les êtres vivants, sont constitués de matière. Pour désigner la matière dont est fait un objet, on utilise le mot matériau. Les matériaux constituent par définition les objets et, à ce titre, ils façonnent notre environnement. Leur variété presque infinie répond à des besoins aussi variées que la construction d une navette spatiale ou de nos objets les plus familiers. Leur élaboration à partir de ressources naturelles et leur recyclage s expliquent avec les lois de la physique et de la chimie. Il existe trois grandes classes de matériaux: Theme 3 MATERIAUX - CYCLE DE VIE Séance 1 DES MATERIAUX TRES DIVERS - les verres, ils sont composés en majeure partie de silice. Ils sont durs, cassants et transparents. C est un matériau très employé en optique, en construction... - les métaux, Les plus courants dans notre environnement sont le fer, l aluminium, le zinc, le cuivre et... l or. - les matières organiques: Jusqu au début du siècle, les matériaux organiques ne comprenaient que des substances tirées: - du règne végétal (bois, coton, papier, caoutchouc naturel, etc..); - ou du règne animal (cuir, corne, ivoire, laine, soie, etc...). Depuis 50 ans, de nouveaux matériaux organiques, fabriqués par l homme, souvent à partir du pétrole, sont classés dans cette catégorie: ce sont les matières plastiques. Pour améliorer les propriétés de ces matériaux, on peut les combiner, pour obtenir de nouveaux matériaux, aux propriétés plus adaptées aux utilisations. On distingue: Un matériau composite est constitué d un ou plusieurs matériaux différents dont l association améliore les propriétés mécaniques de chacun. Les plus répendues sont constitués d une matrice en matière plastique (résine époxyde ou polyester) renforcée de fibres (verre, carbone, kevlar...). Exemple: Le béton, matériau largement utilisé dans la construction des bâtiments, est composé de ciment, d eau, de sable et de graviers. Cependant, sa résistance à la traction peut-être largement augmentée si l on introduit des tiges d acier dans le béton au moment de sa fabrication: on parlera alors de béton armé. Cette structure qui associe béton et acier est une structure composite. Un alliage est constitué de deux ou plusieurs métaux différents dont l association améliore les propriétés mécaniques et chimiques des métaux pris seuls. Exemple: Les bijoux en or ne sont jamais fabriqués avec de l or pur; ils ne seraient pas assez solides. On distingue: - l or jaune: or (75 % en masse) + argent (12,5%) + cuivre (12,5%). - l or blanc: or (75 % en masse) + nickel (12,5%) + cuivre (10%) + zinc (2,5%). - l or rose: or (75 % en masse) + cuivre (20,5%) + argent (4,5%). Par ailleurs, l or pur est à 24 carats. L expression or 18 carats signifie que les 3 / 4 de la masse du bijou sont en or pur. Nom Duralumin Acier inox Fonte Laiton Bronze Maillechort Composition en masse (limitée aux principaux constituants) Aluminium 94% Cuivre 4 % Magnésium 2 % Fer 73 % Chrome 18 % Nickel 8 % Carbone - de 2% Fer Carbone (de 2 % à 6 %) Cuivre 60 % Zinc 30 % Cuivre 80 % Etain 20 % Cuivre 60 % Nickel 18 % Propriétés caractéristiques Dur et léger Inoxydable Bon conducteur Dur, fusible, se moule bien Dur, se moule bien, résiste à la corrosion Résiste à la corrosion Exemple d usage Fenêtres, portes, cadres de bicyclette. Poutres, tôles, fils, clous, ressorts, etc... Radiateurs, cocottes. Matériel électrique. Poignées d ameublement, statues, cloches, robinetterie.

2 2. COMMENT CHOISIR UN MATERIAU? Les matériaux se distinguent les uns des autres par leurs propriétés: Les propriétés physiques et mécaniques, caractérisent - le comportement du matériau quand on le soumet à l action, par exemple, de la chaleur, de l électricité (conducteur ou isolant) - le comportement du matériau lorsqu il subit des contraintes qui tendent à modifier sa forme ou à le rompre. On pourra comparer: - la dureté, - l élasticité, - la ductilité (aptitude à l étirement), - la malléabilité (aptitude à la déformation), - la ténacité (résistance à la traction) de plusieurs matériaux. - nous renseignent également sur la masse de l unité de volume du matériau (un matériau peut être plus lourd ou plus léger qu un autre...). Les propriétés chimiques, caractérisent le comportement du matériau sous l action de certaines substances (oxygène, solutions acides...). Lorsqu un industriel doit choisir un matériau pour, par exemple, fabriquer un emballage alimentaire, les propriétés physiques, chimiques et mécaniques du matériau ne sont pas les seules dont il tient compte. D autres critères existent, comme les données économiques, les contraintes écologiques. Un matériau doit être choisi en fonction de son utilisation. Pour celà, le fabricant identifie toutes les contraintes que le matériau doit subir. Il établit le cahier des charges du matériau. Par exemples: Dans le cas de la fabrication d un emballage alimentaire, l esthétique, les conséquences sur la santé du consommateur sont des critères importants. Pour réaliser les cables électriques d une installation domestique, on a besoin d un matériau conducteur de l électricité (ici cuivre ou aluminium), mais sa conduction doit être très bonne et il doit être très léger. L aluminium remplit mieux cette dernière condition. Le cuivre est plus lourd, mais il est plus malléable et surtout bien meilleur conducteur que l aluminium. On retiendra donc le cuivre comme matériau pour réaliser les câbles électriques d une installation domestique. 3. LE CYCLE DE VIE DES MATERIAUX L analyse du cycle de vie est une étude détaillée qui vous fournit les informations nécessaires pour prendre des décisions dans le respect de l environnement durant la conception du produit. Cette analyse porte sur toute la durée de vie d un produit qui comprend: l extraction du minerai, l élaboration du matériau, la fabrication, l utilisation du produit et son vieillissement, la mise au rebut en fin de vie ou le recyclage ainsi que toutes les opérations de transport intervenant entre ces différentes étapes. Elaboration, Les matériaux sont produits à paritr de matières premières qu il faut purifier et transformer l élaboration d un métal pur comme le fer, se fait à partir des minerais. A chaque étape de la transformation, les espèces chimiques non désirables sont éliminées; le pétrôle, et plus récemment les agro-ressources, sont les sources principales pour l élaboration des matériaux polymères. Vieillissement, Les produits des matériaux évoluent au cours du temps à cause de transformations chimiques. parmi les causes de ces transformations se trouvent la corrosion et l action des micro-organismes, qui dégradent certains matériaux. Par exemple, depuis l avènement de l écriture, la conservation des textes est un problème, pour permettre la transmission de la connaissance. la connaissance de ces phénomènes de dégradation des matériaux permet, dans certains cas, de ralentir leur vieillissement. Par exemple, les pièces métalliques de certains monuments, comme la Tour Eiffel, sont régulièrement repeintes pour une meilleure protection contre la corrosion.

3 Recyclage et vieillissement, La diminution des ressources naturelles de certaines matières premières (métaux rares, pétrole) et le respect de l environnement rendent nécessaires la valorisation des déchets. dans ce but, le recyclage des déchets sert, après leur tri et leur transformation, à réutiliser certains matériaux: - pour fabriquer des objets identiques à ceux dont ils sont issus (canette en aluminium, bouteilles en verre, papiers); - pour fabriquer des objets différents (vêtements ou mobilier public à partir de déchets plastiques); - en tant que combustible (l incinération de déchets libère de l énergie); on parle dans ce cas de valorisation énergétique. l élimination des déchets qui ne sont pas valorisables (gravats des chantiers de construction) se fait par enfouissement, après décontamination si leur stockage en l état présente des dans gers pour l environnement. 4. IDENTIFICATION DES MATERIAUX. Voir fiche Tp-document. 5. DIFFERENTS MATERIAUX CONSTITUANT UN OBJET: LA MOTO. Voir fiche Tp-document. 6. LES EMBALLAGES DES PRODUITS ALIMENTAIRES LES PRINCIPAUX MATERIAUX D EMBALLAGE. Les matières plastiques. Avantages. Elles sont pour la plupart impérméables à l eau, aux corps gras, aux arômes et aux gaz. Elles ont toutes une grande résistanceaux actions chimiques qui leur permet de ne réagir ni avec leur contenant ni avec leur environnement extérieur. On les utilise donc souvent pour l emballage de produits alimentaires. Elles sont généralement moulables (peut prendre la forme d un moule). Inconvénients. Très peu d entre elles présentent de résistance à l élévation de température et elles peuvent être percées. Le verre. Inconvénients. Il est plus lourd que le plastique ou le métal qui pourraient être utilisés à sa place dans l emballage des produits alimentaires. D autre part, il est sensible aux chocs donc il doit être protégé pour la manipulation. Avantages. Il a cependant des qualités très intéressantes. Il est imperméable à tout; Transparent mais il arrête les rayons UV; moulable, rigide et non perforable. Une grande résistance aux actions chimiques, ainsi qu à la température. On peut l utiliser dans un four à micro-ondes. Les métaux. Deux métaux en tôles minces sont utilisés dans l emballage alimentaire: L acier, qui doit toujours être protégé par une couche d étain (et parfois apr un vernis en matière plastique) pour lui donner de la résistance chimique aux produits alimentaires et à l atmosphère; L aluminium, qui doit être également protégé. Avantages. Ces deux métaux sont parfaitement opaques, imperméables à tout; Ils résistent aux chocs et à la température. Inconvénients. Ils ne sont pas utilisables dans un four micro-ondes LES EMBALLAGES CONSTITUES DE PLUSIEURS MATERIAUX. Les emballages Tétra Brik sont constitués de plusieurs matériaux: carton, polyéthylène basse densité (PEBD, une matière plastique) et aluminium. Le carton est léger et assez résistant aux chocs. Par contre, il n est pas imperméable et peut réagir avec les produits alimentaires. Il ne peut donc pas être utilisé comme seul emballage. Le carton, associé aux deux autres matériaux, forme un sandwich avec les qualités des trois matériaux: souplesse, légèreté, imperméabilité, résistance chimique.

4 7. LA SELECTION DES DECHETS. Les matériaux d emballage sont divers. Un emballage comporte souvent plusieurs matières mélangées ou accolées pour améliorer ses propriétés. C est le cas des briques alimentaires: le carton est recouvert d aluminium à l intérieur et d un plastifiant à l extérieur. L élimination des déchets est devenue un problème de société important. Par le tri sélectif des matériaux comme le verre, le papier, les métaux, certains plastiques, sont séparés des autres déchets pour être recyclés, c est-à-dire réintroduits dans le cycle de production d objets nouveaux. Il y a ainsi à la fois économie de matières premières et d énergie. TOUT EST RELATIF... En France, la masse des ordures ménagères a plus que doublé en trente ans. Aujourd hui, chaque personne produit en moyenne 1 kg, ce qui représente par an et par français, en moyenne 365 kg de déchets, ce qui représente par an en France, en moyenne 20 millions de tonnes de déchets, répartis comme suit: METAUX 1,2 mt PLASTIQUES 1,6 mt PAPIERS 5 mt VERRE 7,2 mt VALORISABLE 5 mt

5 DOCUMENT 1: DIFFERENTS MATERIAUX CONSTITUANT UN OBJET: LA MOTO. La vitre du rétroviseur permet de voir en arrière; il est en verre. La face avant du phare laisse passer la lumière. Elle est en polycarbonate, matière plastique transparente. Les pneus doivent résister à de fortes pression. Ils sont en caoutchouc synthétique: le butadiène. Le casque doit protéger la tête en cas de chute. Il est en polystyrèneexpansé recouvert d une coque rigide en A.B.S. Les sangles sont en nylon. La visière doit permettre de voir et de protéger les yeux: elle est en polycarbonate. Les gants et la combinaison protègent le corps en cas de chute. Ils peuvent être en cuir avec des renforts en kevlar qui présente une bonne résistance à l abrasion. Le pot d échappement doit résister à des températures élevées. Il est en acier. L enjoliveur d échappement est en aluminium, métal brillant et léger. Le freinage est assuré par le frottement des mâchoires contre un disque. Ce disque est en acier, métal très résistant à l usure DOCUMENT 2: IDENTIFICATION DES MATERIAUX. La carrosserie doit avoir une allure esthétique sans alourdir le poids du véhicule. Elle est en A.B.S., matière plastique qui se moule facilement et est d un poids très faible. LE MATERIAU EST-IL CONDUCTEUR DE L ELECTRICITE? Matériau LE MATERIAU PEUT-IL BRULER? C EST UN METAL LE MATERIAU SE DECHIRE-T-IL FACILEMENT? C EST DU VERRE (ou de la céramique) C EST DU PAPIER C EST UNE MATIERE PLASTIQUE