Le point faible d’Elastigirl

BD

*  Tg : glass temperature (anglais), température de transition vitreuse en français

Bien le bonjour à tous 🙂

Peut-être avez-vous profité de votre été pour voir le dernier Pixar/Disney. Un film super consacré à Elastigirl, dont le pouvoir est d’avoir un corps élastique. Pour les vieux comme moi c’est le même pouvoir que Red Richard dans les quatre fantastiques ou encore pour le pouvoir de Luffy dans one piece.

Et quel est le plus grand point faible des Hommes élastiques ?  Baisser la température !

C’est en effet ce qui se passe dans les indestructibles 2. Elen Paar se fait immobiliser par une machine qui abaisse sa température.

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Cette technique est vielle comme le monde puisque le docteur Fatalis utilise la même contre Mr Fantastique, dans le film les quatre fantastiques de 2005.

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Mais pourquoi donc baisser la température modifie t-il ainsi le caoutchouc ? Que se passe t-il au niveau des molécules ? Un petit voyage au sein des polymères de caoutchouc nous attend.

Le Caoutchouc : qui que quoi ?

caoutchouc
Caoutchouc Amazone.com

Le caoutchouc est un polymère, c’est à dire un ensemble d’immense molécules (Macromolécules) que l’on représente souvent par de longs fils : comme des spaghettis. Pour le caoutchouc ces longs fils sont constitués de la répétition d’un même motif : qui provient d’une petite molécule de départ (un monomère) :  cis-1,4-isoprène.

Schéma polymère

 

Mais qu’est ce qui fait du caoutchouc cette rock star internationale, présente à la fois dans les voitures, les chaussures et mêmes dans les carburants de fusées ?

Au début le caoutchouc résistait mal aux écarts de températures, en hiver il était cassant et en été il collait. Et c’est en 1842 que Charles Goodyear invente la vulcanisation du caoutchouc

Le principe est simple : on ajoute du soufre au polymère et l’on va ainsi créer des liaisons soufre entre les spaghettis.

vulcanisation

C’est grâce à la vulcanisation que le caoutchouc possède des propriétés élastiques si intéressantes. Avant la vulcanisation, le caoutchouc ressemble un peu à un chewing-gum déjà mastiqué (encore une métaphore sur la nourriture ^^) : il est étirable mais pas élastique. Fun fact : la présence de tous ces ponts soufre entre les chaîne nous donne une seule immense molécule ! Et oui quand vous prenez une balle de caoutchouc dans vos mains vous possédez une seule molécule :).

Les ponts soufre vont jouer un peu le rôle de ressort, lorsque l’on tirera sur le polymère, les macromolécules vont glisser les unes par rapports aux autres mais les ponts soufre qui les relient vont avoir tendance à les ramener dans leur état d’origine. : c’est l’élasticité !

Bon maintenant on connaît bien le matériau qui constitue Elastigirl, mais comment expliquer cet aspect très cassant à basse température (même pour un caoutchouc vulcanisé) ?

Comment casser du caoutchouc ?

Que se passe t-il quand on fait varier la température de n’importe quel solide ?

Dans un solide les molécules bougent très peu, elles sont fixées et ont beaucoup d’interactions entre elles (interactions dites de Van der Waals ou liaisons hydrogène) ! Puis dès que l’on augmente la température on donne de l’énergie aux molécules qui vont se mettre à bouger de plus en plus : on passe alors à l’état liquide et puis gazeux dans lequel les molécules ont très peu d’interactions entre elles car elles sont beaucoup plus loin les unes des autres.

L’idée clé c’est que chauffer c’est donner de l’énergie aux molécules pour combattre les interactions attractives qu’elles ont entre elles. Plus on chauffe plus on les sépare.

matière

Pour un polymère l’idée va être la même, maisle nombre d’interactions entre les macromolécules (spaghettis) est beaucoup plus grand que pour les molécules classiques. Il va falloir apporter beaucoup d’énergie ! Ainsi pour un polymère il est impossible d’avoir un état gazeux, l’énergie à fournir serait beaucoup trop importante, résultat on carbonise le polymère bien avant !

Et oui vous ne pourrez jamais avoir du plastique gazeux, ni du caoutchouc !

intercations

Ainsi les transitions de phases pour un polymère vont être très différentes de celles pour une molécule simple.

Comme pour les petites molécules lorsque l’on va chauffer un polymère, les macromolécules le constituant vont se mettre à bouger, glisser les unes par rapport aux autres.

Pour les polymères tel que le caoutchouc : les élastomères, deux états existent. Un état vitreux et un état caoutchoutique.

Petite expérience fictive ^^ : partons de notre caoutchouc à température ambiante, et on le refroidit petit à petit. Les macromolécules vont alors de moins en moins bouger entre elles, et on va finir par descendre en dessous d’une température Tg (glass temperature) : température de transition vitreuse. Les macromolécules sont alors peu mobiles et ont donc beaucoup d’interactions entre elles : c’est l’état vitreux ou amorphe.

transition vitreuse

Dans l’état vitreux le polymère se présente sous la forme d’un verre, c’est à dire un solide dur et cassant…comme du verre ^^.

Au-dessus de la température de transition vitreuse le caoutchouc est dans son état caoutchoutique : et c’est cet état qui nous intéresse généralement.

En quelque sorte à Tg le polymère passe d’un état « spaghettis cuits congelés » à un état « spaghettis cuits décongelés ».

La particularité du caoutchouc (et des élastomères) c’est que à température ambiante on est à T>Tg. Ils sont donc caoutchoutiques à température ambiante.

Et pour Elastigirl ?

Pour immobiliser un Homme caoutchouc on peut donc abaisser sa température, ainsi on descend en dessous de sa température de transition vitreuse et il devient cassant :), car les macromolécules le constituant sont très figées et donc se cassent quand on exerce une traction dessus.

Petite vidéo trouvée sur YouTube pour montrer l’effet d’une faible température (avec de l’azote liquide) sur une balle de caoutchouc.

Bibliographie

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Tintin et le caoutchouc

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Tintin au Congo (Ed. Casterman 1946)

Bien le bonjour à tous 🙂

Dans la bande dessinée Tintin au Congo, notre cher ami Tintin redouble d’ingéniosité pour nuire aux animaux d’Afrique.

Afin de se venger d’un buffle l’ayant projeté dans l’eau, Tintin utilise les propriétés de l’hévéa pour construire un lance pierre géant et assommer le pauvre animal. Analysons ce passage chimie à l’appui 😉

Voici le passage étudié : 

 

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Le caoutchouc

Comme nous l’avions vu dans l’article sur : La chimie du ballon de basket, le caoutchouc est un polymère. C’est à dire qu’il est constitué de molécules de très grande taille (et de très grande masse molaire) : des macromolécules.

Ces macromolécules sont caractérisées par la répétition de petites molécules : on parle d’unité de répétition. Ces petites molécules s’obtiennent après réaction d’une molécule de départ avec elle-même, cette molécule de départ c’est le monomère.

Dans le cas du caoutchouc naturel :

  • La « molécule de départ » = monomère est l’isoprène

isoprène

  • La macromolécule : est une répétition d’une petite molécule provenant de l’isoprène de départ (après qu’il ait réagit)

polyisoprène.png

Le polymère caoutchouc est donc constitué d’un nombre important de ces macromolécules : longue chaîne que l’on peut assimiler à des spaghettis, le polymère correspond alors à l’ensemble du plat de spaghetti.

Dans Tintin

Tintin extrait le caoutchouc de « l’arbre à caoutchouc », aussi appelé hévéa. La sève de cet arbre : le latex, est un liquide laiteux constitué de 70 % d’eau et de 30 % de caoutchouc.

Comme le précise très bien Tintin, le latex sortant de l’arbre doit ensuite être séché pour faire partir l’eau et ne conserver que le caoutchouc. Cependant Tintin a oublié de nous faire part d’une étape cruciale, celle qui donne son élasticité au caoutchouc : la vulcanisation !

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La vulcanisation est une réaction chimique qui consiste à relier chaque longue chaîne (formant une macromolécule) entre elles. Cela revient à relier tous les spaghettis entre eux.

Pour cela il faut ajouter un ingrédient indispensable : le soufre. Ce dernier va réagir avec les doubles liaisons présentes dans nos chaînes et former des ponts entre les chaînes.

Le soufre, présenté dans la réaction ci-dessus, est sous sa forme solide la plus stable : appelé Sα ou encore S8.

Soufre S8, chaque boule correspond à un atome de soufre :

S8 alpha soufre

wikipédia

Les ponts ainsi formés agissent tels des ressorts sur notre polymère. Quand on l’étire le polymère se déforme puis, il revient dans son état initial lorsque la contrainte est stoppée.

La vulcanisation est une étape délicate, trop de soufre entre nos chaînes va rigidifier la structure et le composé ne sera plus élastique. De même trop peu de ponts va conduire à une faible élasticité.

Tintin ne peut donc pas utiliser directement le caoutchouc sortant de l’hévéa pour fabriquer son lance pierre.

Un grand merci à mon prof de Chimie de prépa qui nous a présenté le cours sur les polymères de manière ludique et attractive avec cet exemple :).

Bibliographie

 

La chimie d’un ballon de basket(1)

ballons_de_basketball

Étant un grand fan de Basketball, je ne peux m’empêcher d’écrire mon premier article sur la chimie du ballon de Basketball. Et que de choses à dire sur cet équipement indispensable ! Les exigences des fédérations sont très strictes et précises sur la qualité du ballon, ainsi donc le choix des matériaux et des procédés de fabrications sont réfléchis en conséquence. Voici donc pour commencer un rapide résumé des règles de la WNBA à propos du ballon de basket :

  • Parfaitement sphérique, circonférence correcte
  • Etre résistant à l’usure
  • Valve et ballon étanches
  • Rebondir correctement
  • Balle pas trop lourde (environ 600 g)

La composition d’un ballon de Basketball

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          a
ChemMatters, février 1999

1. La poche intérieure

 La poche sphérique intérieure se doit d’être complétement imperméable aux gaz, notamment ceux présents dans l’air (O2, N2) pour que le ballon reste correctement gonflé. Mais cette poche doit aussi être élastique et assez résistante.

Le simple caoutchouc s’il répond aux deux exigences précédentes, n’est cependant pas assez hermétique aux gaz. Ainsi c’est un matériau proche de ce dernier qui est employé : le butyle caoutchouc. Ce polymère élastique est très célèbre pour son excellente imperméabilité aux gaz, il est notamment utilisé dans l’industrie les pneus, les chambres à air, les joints industriels.

Avant d’expliquer la structure du butyle caoutchouc, il est important de comprendre ce qu’est un polymère. Un polymère est constitué de macromolécules. Ces dernières sont des molécules de masse molaire très grandes, et caractérisées par la répétition de petites molécules : les monomères.         

Exemples de polymères naturels :

  • Le caoutchouc
  • Les protéines (polymères d’acides aminés)
  • ADN
  • Amidon

 Le caoutchouc butyle est lui un copolymère de l’isobutylène et de l’isoprène, cela signifie que sa structure est constituée par la répétition de ces deux monomères. Le caoutchouc butyle est en fait surtout constitué d’isobutylène et contient peu d’isoprène ( environ 2% pour une chaîne).

isoprène

isobutylène Initialement le matériau ne contenait que l’isobutylène, on obtenait alors le polyisobutylène (PIB), puis afin de lui donner des propriétés élastiques (caoutchouc), on a ajouté une petite quantité d’isoprène. Ce dernier va permettre d’introduire dans le polymère des doubles liaisons C=C.

 PIB www.techniques-ingénieur.fr

 Structure du caoutchouc butyle : 

IIR

http://www.techniques-ingénieur.fr

 La présence de la double liaison C=C est très importante, en effet on a introduit dans le polymère un groupe fonctionnel réactif. L’objectif est alors de relier chaque chaîne de polymère par des liaisons chimiques, ce qui est possible grâce aux doubles liaisons. Ce processus se fait à haute température et en présence de soufre (agent vulcanisant) : c’est la vulcanisation.

 Vulcanisation du butyle caoutchouc

             Sulfur_vulcanization

Wikipédia

 Le matériau devient alors beaucoup plus élastique, c’est un élastomère. Ce dernier peut alors être étiré jusqu’à deux fois sa taille originale et revenir très rapidement à sa forme initiale : voilà l’origine du rebond de la balle de basket. Une autre caractéristique intéressante est que le matériau n’est constitué que d’une seule molécule géante. Ainsi les différentes parties de la molécules ne peuvent plus se déplacer les unes par rapport aux autres quelque soit la température. Le matériau ne peut alors plus être fondu (état liquide). Ainsi si l’on brûle un ballon de basket, petit à petit ce dernier va se carboniser sans passer par un état liquide. (NB : les fumées noires provenant de la combustion sont toxiques et cancérigènes).

Ce dernier point démontre qu’il est important de bien donner la forme sphérique à notre caoutchouc butyle juste avant la vulcanisation du matériau, car il est ensuite impossible de fondre notre matériau pour lui donner la forme désirée.

Première couche du ballon de basket composée de caoutchouc butyle

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alibaba.com

 Exemple de gants fait en caoutchouc butyle

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protective.ansell.com

 

Attention ! Risques importants liés à une telle expérience : manipulation du feu, risques d’incendie, de brûlures importantes, toxicité des fumées…La personne dans cette vidéo ne respecte pas du tout les normes de sécurité ! A ne pas reproduire !!!

La deuxième partie de cet article sera traitée la semaine prochaine avec au programme : les couches 2,3,4 ainsi que la synthèse et les propriétés du nylon. Bonne semaine 🙂

Références