La vie des plastiques

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1 T3S1 G Cycle de vie des matériaux La vie des plastiques TS Spécialité Document 1 : La chimie des polymères a connu un essor spectaculaire depuis L appellation «matière plastique» qui est associée à ces substances polymères renvoie au fait que beaucoup d entre elles possèdent une grande plasticité. Mais de façon énérale, les matériaux polymères offrent un large éventail d applications et des propriétés remarquables (propriétés mécaniques, thermiques, et même, des propriétés de conduction électrique pour certains d entre eux). De ce fait, leur utilisation s impose aujourd hui dans tous les domaines (textile, mobilier, caoutchouc, peinture, objets techniques à haute valeur ajoutée dans le sport, la médecine etc). Cependant, la plupart des matériaux polymères proviennent actuellement de la pétrochimie, et, les préoccupations DOC 4 p 128 BORDAS croissantes liées au coût et à l épuisement des matières premières fossiles et leurs répercussions sur l'environnement ont favorisé la recherche de solutions de remplacement comme le recours à de nouvelles matières premières issues des agro-ressources, ou même l utilisation de bio-polymères. Document 2 Doc 1 Hachette p 132 Partie I : Utilisation des modèles moléculaires 1a) 1b) 1c) Construire 5 molécules d éthène CH2 = CH2, puis les modifier pour réaliser le polymère. Noter vos remarques, que sont devenues les double liaisons? Ecrire l équation développée de la réaction de polymérisation ; identifier le monomère, le motif, et le polymère. 2) Mêmes questions avec le chlorure de vinyle CHCl = CH2 3) A l aide de vos connaissances de 1ère, et en analysant la structure du polyéthylène (PE) et du polyéthylène téréphtalate (PET), préciser la nature des interactions assurant la cohésion, à l état solide, de ces deux polymères. Justifier alors que le PET se ramollit à une température supérieure à celle permettant le ramollissement du PE 1/8

2 Partie II : Synthèse et étude d'un biopolymère Document 3 : L'amidon est un mélange de 2 polymères : l'amylose et l'amylopectine Document 4 : Cycle de vie d'un sac en biopolymère 2/8

3 Document 5 : Biodégadabilité Document 6 : 3/8

4 a- Protocole expérimental Mettre 100 ml d eau dans un bécher. Y ajouter 2 ml de glycérine et bien agiter avec un agitateur en verre Ajouter ensuite progressivement 5g de Maïzena (amidon de maïs) tout en agitant. Chauffer ce mélange jusqu à ce qu il devienne translucide. Lorsqu il devient translucide, continuer de le chauffer tout en le remuant pendant 10 minutes. Verser une partie dans le couvercle en plastique et verser le reste du mélange sur du papier sulfurisé en le répartissant en fine couche sur sa surface. La polymérisation et l'évaporation de l'eau sont longues. Les observations se feront la semaine suivante. Source : b- Questions 1D'où provient l'amidon? 2Entourer un motif élémentaire d'amylose 3Ecrire sa formule développée complète puis en déduire sa formule brute. 4En quoi consiste la biodégradabilité? 5Pourquoi fabrique-t-on des sacs plastique à partir d'amidon? Partie III : Les matières plastiques dans la vie courante 31- Les codes : Source : wikipédia, 22/10/2015 Repérer la nature des plastiques constituants les divers objets proposés et remplir le tableau suivant : Objet Nom du polymère Abréviation (ou sigle) Formule du polymère 4/8

5 32- Les matières plastiques dans les ordures ménagères Suite au tri sélectif des déchets [doc. 8], les plastiques sont transportés vers les usines de transformation, où ils seront recyclés ou valorisés. Pour obtenir de meilleures propriétés mécaniques, un tri poussé des plastiques est nécessaire. Aujourd'hui, les polymères sont identifiés par des méthodes optiques utilisant des rayonnements dans l'infrarouge ou le visible [doc 10] : l'infrarouge détermine la nature chimique, le visible renseigne sur la couleur. L'efficacité d'identification par ce procédé peut dépasser 99 %. Une fois triés, les plastiques sont utilisés pour fabriquer de nouveaux matériaux : le PET recyclé permet par exemple de produire de la laine polaire. S INFORMER Valoriser des déchets, c'est isoler et récupérer dans les déchets des matières premières dites secondaires, ou de l'énergie. Recycler consiste à réintroduire, dans une chaîne de production, un déchet en remplacement total ou partiel d'une matière première vierge. Une première méthode de valorisation est l'utilisation des plastiques sans les trier entre eux. Les mélanges sont fondus, puis mis en forme, mais les propriétés mécaniques des matériaux obtenus sont médiocres. Pour améliorer ces propriétés, les matières plastiques peu denses [do 9], sont séparées des autres par flottation dans l'eau. Les mélanges obtenus sont associés à d'autres matériaux pour former des palettes de manutention ou des éléments de mobilier urbain Comment seraient séparés ces objets par flottation dans l'eau? Proposer un protocole expérimental pour vérifier que la séparation de ces objets par flottation dans l'eau est possible La spectroscopie infrarouge permet d'identifier les liaisons covalentes présentes dans une molécule. À l'aide des motifs des différents polymères (voir le 31), expliquer comment le trieur optique peut reconnaître et séparer les plastiques. Interpréter la phrase : «L'efficacité d'identification du procédé peut dépasser 99 %.» 5- Résumer, au moyen d'un schéma. Les scénarios possibles de la vie d'un objet en plastique Le jaunissement des plastiques ex 3 p 135 (Bordas) 5/8

6 T3S1 G La vie des plastiques Matériel Cycle de vie des matériaux Élèves : - Modèles moléculaires - 2 Bécher de 250 ml - Un agitateur en verre - Eprouvette graduée TS Spécialité Bureau : - Glycérol - Maizena - Du papier sulfurisé - Eau - Jeux de plastiques - Sacs plastiques Anne - Un cristallisoir - Balance électronique - 2 montages résistance fils plastiques + masses marquées 6/8

7 T3S1 G Cycle de vie des matériaux La vie des plastiques Correction TS Spécialité Partie I : Utilisation des modèles moléculaires 1a) 1b) 1c) 2) 3) Correction en classe Les double liaisons de l'éthylène ont disparues pour former les liaisons simples entre les molécules d'éthylène. 5C 2 H 4 (- CH 2 CH 2 - )5 Le monomère est C 2 H 4, le polymère est (- CH 2 CH 2 - )5 et le motif est (- CH 2 CH 2 - ) 5CH 2 = CHCl (- CH 2 CHCl - )5 Mêmes questions avec le chlorure de vinyle CHCl = CH2 CH 2 = CHCl, le polymère est (- CH 2 CHCl - ) 5 et le motif Le monomère est (- CH 2 CHCl - ) est La cohésion, à l état solide, du polyéthylène (PE) est assurée par des interactions de Van der Walls alors que la cohésion dans le polyéthylène téréphtalate (PET) est assurée par des liaisons hydrogène. Les liaisons hydrogène nécessitant un plus grand apport d'énergie (que les liaisons de Van der Waals) pour être cassées, alors le PET se ramollit à une température supérieure à celle permettant le ramollissement du PE Partie II : Synthèse et étude d'un biopolymère b- Questions 1L'amidon provient de végétaux tels que le maïs et le blé 2Entourer un motif élémentaire d'amylose Correction en classe Voir document 5 : la biodégradabilité est un processus naturel de la décomposition de la matière organique. Quatre éléments y concourent : les micro-organismes (leur présence est indispensable), l'humidité, la température et le dioxygène. Un objet biodégradable n'est pas un objet à durée de vie limitée mais un matériau qui peut être digéré par les micro-organismes du sol. On fabrique des sacs plastique à partir d'amidon car l'amidon permet de produire du bioplastique avec lequel on fabrique un matériau plastique biodégradable (il suffit de s'en servir comme compost) (voir document 3). De plus, l'impact environnemental de sacs en bioplastique est bien plus faible que les sacs en PE ou en papier (voir document 6) Partie III : Les matières plastiques dans la vie courante 31- Les codes : Repérer la nature des plastiques constituants les divers objets proposés et remplir le tableau suivant : Objet + code Nom du polymère Abréviation (ou sigle) Bouteille de soda 1 polythéréphtalate d'éthylène PET Bouteille lessive 2 polyéthylène haute densité PEHD (- CH 2 CH 2 - )n Tuyau arrosage, bouchon alcool à brûler 3 polychlorure de vinyle PVC (- CH 2 CHCl - )n Formule du polymère 7/8

8 Objet + code Nom du polymère Abréviation (ou sigle) Polypropylène PP Pot de yaourt 6 Polystyrène PS Verre doseur 7 Autres plastiques Formule du polymère Récipient tupperware Bouchon flacon lessive Les matières plastiques dans les ordures ménagères 1-5- Lors de la flottation, les matériaux plus denses que l'eau coulent (PET, PMMA, PVC) ; les matériaux moins denses que l'eau flottent (PE-HD). Les objets doivent être totalement vidés d'air (la présence d'air à l'intérieur de l'objet entraîne une masse volumique de l'ensemble [plastique + air] différente de celle du plastique). Pour éliminer l'air, on peut, par exemple, couper les objets en morceaux suffisamment gros pour permettre l'identification de leur origine. Les morceaux sont ensuite immergés dans l'eau et la séparation s'opère. Les polymères contiennent des groupes fonctionnels et donc des liaisons covalentes différentes. En spectroscopie IR, les bandes observées traduisent des vibrations de la molécule. Si les liaisons sont différentes, les vibrations ne se produisent pas aux mêmes fréquences, ce qui permet l'identification du matériau. Seulement 1 % des plastiques sont orientés sur un tapis qui n'est pas le leur, par suite d'une erreur d'identification. Cycle de vie d'un plastique 43- Le jaunissement des plastiques 1a1b1c2a2b2c- Avant l oxydation, la matière plastique absorbe dans les longueurs d onde autour de 360 nm. Il s agit d un rayonnement UV. Non, puisqu elle absorbe dans l UV. Après l oxydation, elle absorbe toujours autour de 360 nm, mais également autour de 450 nm. Il s agit du rayonnement UV et de radiations visibles bleues. Lorsque la matière absorbe le bleu, notre œil perçoit la couleur complémentaire, c est-à-dire le jaune. Après oxydation, on peut donc dire que les matières plastiques jaunissent. Un suivi colorimétrique est directement lié à la couleur perçue par l œil humain, mais comme le suivi cinétique est problématique, aucune étude quantitative n est possible. Il s agit de la loi de Beer-Lambert, qui lie l absorbance à la concentration de l espèce qui absorbe le rayonnement /8