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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La chimie du ballon de basket (2)

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Voilà la suite de la composition de notre ballon préféré 🙂

Voici le lien de la première partie pour d’éventuels rappel

 2. La deuxième couche

Une fois que l’on a obtenu la première couche constituée de butyle caoutchouc, on passe logiquement à la deuxième couche.

 Rappel de l’allure de la première couche :

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alibaba.com

On entoure maintenant notre poche sphérique de fils de nylon ou de polyesters. Ce sont de solides ficelles qui vont permettre de maintenir la forme du ballon de basket, et notamment d’éviter la formation de bosses. Les ballons de grandes qualités peuvent avoir plus de 3000 m de fils. Le polyester est certes moins coûteux pour les fabricants mais aussi moins résistant que le nylon : il donnera des ballons moins durables.

Synthèse du nylon :

Le nylon est un copolymère d’un diacide carboxylique et d’une diamine, on forme alors un polyamide. C’est une réaction de polymérisation par étape : cela signifie que les monomères réagissent entre eux pour former des dimères, puis des trimères, et ainsi de suites jusqu’au polymère. Plus précisément on est en présence ici de polycondensation (élimination d’une molécule d’eau à chaque étape).

nylon

Ci-dessus est représentée la synthèse du nylon 6-6, mais il en existe d’autres types tels que le 4-6 ou 2-6 (le premier chiffre indique le nombre de carbone du diamine). Le nylon a été grandement exploité par l’industrie textile notamment par la création des bas et des collants, il est aussi beaucoup utilisé pour les articles de sport et les objets moulés, et également pour les fils de pêches. Ces exploitations sont grandement liées à son ultra-résistance, par exemple pour un fil de pêche monofilament la force de rupture est de plus de 100kg.

 Vielle pub pour des bas en nylon :

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lesechos.fr

 

Fil de nylon de 0.8 mm :

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alittlemercerie.com

Sur internet vous pourrez facilement trouver des vidéos de synthèse du nylon, en voici deux :

Synthèse nylon 6-6

Synthèse nylon 6-10

Revenons à notre ballon de basket, on avait la possibilité d’utiliser du nylon ou du polyester. Le polyester est aussi un polymère composé de la répétition d’une fonction ester. La réaction est très analogue à celle du nylon et s’effectue cette fois entre un diacide carboxylique et un diol (molécule avec deux fonctions alcools).

 Troisième couche du ballon

La troisième couche recouvrant les deux autres est constituée de caoutchouc (naturel, composite ou butyle caoutchouc). Cette étape se réalise dans un moule afin de faire apparaître les reliefs extérieurs sur le ballon (sillons, logos..). La couleur et les autocollants sont ajoutés dans le moule juste avant la vulcanisation du caoutchouc. Les ballons de hautes qualités possèdent même un revêtement en cuir par-dessus.

Références

  • Article ChemMatter, février 1999, « The chemistry of basketball »
  • Wikipédia

 

La chimie d’un ballon de basket(1)

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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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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