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LA SYNTHESE DES PLASTIQUES 1. DEFINITION Les matières plastiques sont des matér

LA SYNTHESE DES PLASTIQUES 1. DEFINITION Les matières plastiques sont des matériaux récents, inventés dans la première partie du XXè siècle. Essentiellement fabriqués à partir du pétrole, ce sont des produits de synthèse issus de la pétrochimie qui consomment aujourd’hui quatre pour cent environ des productions pétrolières et gazières dans le monde. Les premiers plastiques, les celluloïds, étaient extraits de la cellulose du bois mais les plastiques modernes sont des produits obtenus par un enchaînement de réactions chimiques sur les hydrocarbures : des processus de raffinage permettent d’extraire des pétroles bruts, les bases constituant des matières plastiques. Ces éléments, les monomères, sont ensuite assemblés en chaîne au cours de réactions de polymérisation. Les macromolécules obtenues, appelés polymères, formeront les résines plastiques. Selon la nature chimique des polymères, on obtient différentes résines de synthèse. Des adjuvants et des additifs sont incorporés à ces résines pour produire une très grande diversité de matières plastiques destinées à de nombreux usages. Les caoutchoucs de synthèse sont aussi regroupés sous l’appellation générique de plastiques. 2. LA CHIMIE DES PLASTIQUES Pour obtenir des produits finis en matière plastique, il faut faire subir aux matières premières une succession de transformations chimiques et physiques. Les principales étapes de fabrication sont les suivantes : Transformation Chimique Produit Transformation Physique Matières premières : HYDROCARBURES ( pétrole brut par exemple) Première transformation : DISTILLATION Produits de distillation : NAPHTA (pour les plastiques) Deuxième transformation : VAPO-CRAQUAGE MONOMERES Troisième transformation : POLYMERISATION POLYMERES Quatrième transformation : ADJUVANTS/ ADDITIFS MATIERES PLASTIQUES (thermoplastiques ou thermodurcissables) MOULAGE/ EXTRUSION/ INJECTION/ THERMOFORMAGE PIECES PLASTIQUES Dossier Enseignant. « VOYAGE EN INDUSTRIE » CAP SCIENCES 2006. 2 .1 Le pétrole et les hydrocarbures. Le mot pétrole vient du latin petra : pierre et oleum : huile (huile de pierre). C’est une roche sédimentaire carbonée qui se présente sous forme d’huile minérale. Il provient de l’enfouissement et de la lente décomposition de micro-organismes marins végétaux et animaux. (plancton, algues, …) dans le milieu anaérobie des sédiments océaniques. Le pétrole se trouve parfois piégé dans une roche réservoir poreuse qui constitue le gisement. Il peut, par exemple, imprégner une couche de sable dont on l’extrait après forage des couches supérieures. Il remonte grâce à la pression comme de l’huile qui sortirait d’une éponge pressée. Il existe, selon les gisements, une grande diversité de pétroles: ce sont des mélanges qui renferment des hydrocarbures et d’autres éléments chimiques comme le soufre. Les hydrocarbures sont des composés organiques contenant exclusivement des atomes de carbone (C) et d'hydrogène (H). Ils possèdent une formule chimique brute de type : CnHm, où n et m sont deux entiers naturels. Ils se présentent sous trois états : gazeux (gaz naturel), liquide (pétrole), solide ( bitume.) Les molécules hydrocarbonées sont formées par l’association d’atomes de carbone reliés entre eux et sur lesquels viennent se placer des atomes d’hydrogène. Le nombre d’atomes de la molécule et le type de liaison carbone-carbone déterminent différents composés saturés et peu réactifs ou insaturés et plus instables. Certains d’entre eux contiennent un nombre important d’atomes et ont une masse moléculaire élevée (huiles), d’autres plus légers ayant un à six carbones sont plus volatiles. (Gaz : butane C4H10, propane C3H8,...) Seuls certains hydrocarbures sont utilisés pour la fabrication des plastiques. Ils sont insaturés et renferment entre six et onze atomes de carbone. Molécule de propane C3H8 Molécule de butène C4H8 2.2 Le raffinage ou la distillation du pétrole. Pour séparer les hydrocarbures plus ou moins lourds constituant le pétrole, on utilise un procédé de distillation fractionnée dans les grandes colonnes de fractionnement des raffineries. Une colonne de fractionnement est compartimentée par niveaux et possède plusieurs plateaux horizontaux. Il est possible grâce à elle d’obtenir une première séparation du pétrole brut car ses composants ont des températures d’ébul- lition différentes. On se sert de cette propriété pour séparer les produits. Avant d’arriver à la base de la colonne, le pétrole est chauffé dans un four à environ 400°C. A cette température, la plupart des fractions constituant le pétrole est sous forme de gaz. Lorsque ces gaz pénètrent dans la colonne, ils s'élèvent et se refroidissent au cours de leur ascension. Le passage des produits volatils d’un étage à l’autre se fait par l’intermédiaire d’une cloche de barbotage où les vapeurs se condensent de façon différentielle en fonction de la température. Grâce à ce procédé, les composants possédant le point d’ébullition le plus bas sont en mesure de monter plus haut. En conséquence, plus la vapeur monte dans la colonne, plus elle est riche en molécules Dossier Enseignant. « VOYAGE EN INDUSTRIE » CAP SCIENCES 2006. du composant le plus volatil. Ce raffinage permet en somme la séparation des produits : les produits les plus lourds tels que le fuel lourd sont collectés à la base de la colonne, les gaz légers sont récupérés au niveau le plus haut. 2.3 Le traitement des naphtas et la formation des monomères. Les produits obtenus par distillation fractionnée sont encore des mélanges que l’on nomme des coupes. La fraction des naphtas renferme des composés chimiques qui serviront à la production des monomères. Ce naphta va subir une transformation appelée le vapocraquage pour isoler ces monomères qui sont éléments de base des plastiques. Le vapocraquage : La fraction de naphta sortant de la colonne contient des gaz et des produits dont le point d'ébullition se situe aux alentours de 180°C. Cette coupe subit plusieurs traitements afin d’enlever tout le soufre, les gaz plus légers que le butane (C4H10) et enfin pour le séparer en deux fractions : le naphta léger et le naphta lourd. Le premier est souvent utilisé pour la fabrication des carburants, le second sert surtout à alimenter les unités de vapocraquage. Le procédé de vapocraquage consiste à casser par pyrolyse des molécules d’hydrocarbure. Le vapocraqueur reçoit le naphta lourd pour réaliser une séparation des hydrocarbures en fractions plus petites. L'unité possède une série de réacteurs qui fonctionnent à très haute température (entre 500 °C et 600 °C), à basse pression et en présence de vapeur d'eau pour la dilution des produits et pour empêcher le dépôt de goudron. Dans ces conditions, les molécules d'hydrocarbures du naphta se scindent en plusieurs morceaux et donnent naissance à de nouvelles molécules plus légères et notamment les monomères. VAPOCRAQUEUR Dossier Enseignant. « VOYAGE EN INDUSTRIE » CAP SCIENCES 2006. Au cours de cette pyrolyse, les produits craqués subissent deux trempes successives et sont ensuite séparés au cours de plusieurs distillations qui se font à basse température. Ils sont refroidis à -120°C, et distillés pour extraire le méthane et le dihydrogène. Ensuite, à chaque distillation on récupère en tête de colonne de l'éthylène C2H4 ( 33%), du propylène C3H6 (16%), du méthane (18%), du benzène C6H6 (7%) du butadiène (5%), des gaz liquéfiés et d'autres produits insaturés en C3, C4, C5. L’éthylène et le propylène sont des monomères de base pour la fabrication du polyéthylène et du polypropylène Éthylène Propylène 2.4 La nature chimique et la structure atomique des monomères La liaison covalente Les hydrocarbures sont des composés chimiques, le plus souvent liquides formés par des molécules plus ou moins « lourdes » selon le nombre d’atomes qu’elles contiennent. Comme leur nom l’indique, ils sont formés essentiellement par des atomes d'hydrogène et de carbone. Ces deux éléments, d'électro-négativitié voisine, se lient par une liaison dite covalente dans laquelle chaque atome met en commun un ou plusieurs électrons de sa couche externe. Généralement, la liaison covalente est simple car elle implique le partage équitable d’une seule paire d’électrons, chaque atome fournissant le sien pour former une paire délocalisée. Les liaisons covalentes sont fortement directionnelles et tendent à former des molécules aux formes caractéristiques possédant des angles de liaison spécifiques. La valence des atomes L’atome d’hydrogène est dit monovalent car il ne dispose que d’une seule liaison et ne peut se lier qu’à un seul atome. Le carbone, en revanche, est tétravalent c’est-à-dire qu’il peut établir 4 liaisons avec des atomes voisins. Il arrive aussi que dans une molécule, deux atomes de carbone partagent deux ou trois paires d'électrons. On parle alors une liaison double ou d’une liaison triple. Ces liaisons doubles ou triples entre carbones donnent des composés insaturés souvent instables car elles s’établissent par manque d’atomes hydrogène disponibles. Les hydrocarbures insaturés tendent à se saturer en captant soit d'autres atomes d'hydrogène ou des atomes d'oxygène. C 'est pour cette raison qu'il n'est pas fréquent de les trouver en grandes quantités dans la nature. Cette insaturation permet aux chimistes de faire toutes sortes de réactions afin d'obtenir des composés nouveaux. Les familles d’hydrocarbure Selon le type de liaisons saturées ou insaturées, il existe plusieurs familles d’hydrocarbures. La forme spatiale des molécules est variable d’une famille à l’autre. - Dans les composés saturés, les atomes de carbone se disposent à la suite les uns des autres. On parle de forme aliphatique ou de composés paraffiniques pour désigner ces molécules linéaires dont la plus fréquente est le méthane. Quelques composés Dossier Enseignant. « VOYAGE EN INDUSTRIE » CAP SCIENCES 2006. insaturés comme l'éthylène ont aussi une uploads/Industriel/ synthese-plastiques-azur23.pdf