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La chimie et le sport
10 avril 2013 F. Backenstrass - 29ièmes Olympiades Nationales de la Chimie - Chimie et Sport 1
De l’âge du cuir… à l’âge des polymères !
Bayer MaterialScience
Branche polymères du groupe Bayer
Polyuréthane et polycarbonate
Applications : confort, construction, automobile,
sport, électro-ménager, etc…
30 sites de productions et ~ 14 800 employés dans le monde
Frédérique Backenstrass
Bayer S.A.S.
13 rue Jean Jaures
F-92815 [email protected]
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La Chimie et le Sport
310 avril 2013 F. Backenstrass - 29ièmes Olympiades Nationales de la Chimie - Chimie et Sport
Polymères
4
( )n-2
oligomère : n peu élevé polymère : n élevé
n = degré de polymérisation = nombre de motifs
Monomère :
molécule utilisée pour synthétiser des polymères
par enchainements successifs
motif motifmotif
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Polymères
5
Motif
Dimère
Trimère
xPOLYMERE
( )a
Oligomère
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Type de polymérisation
6
POLYADDITION ou POLYMERISATION EN CHAINE :
CH2=CH2 + nCH2=CH2 CH3-(-CH2-CH2-)n+1-CH3
Ethylène polyéthylène
Ex : PS, PP, PVC, etc motif = -CH2-CH2-
POLYCONDENSATION ou POLYMERISATION PAR ETAPES :
Réaction d’estérification :
CH3-COOH + CH3-CH2-OH CH3-COOCH2-CH3 + H20Acide acétique + éthanol acétate d’éthyl e + eau
Diacides + diols polyester + H2O motif = -CO-R-CO-O-R’-O-
Ex : polyesters, polycarbonates , etc
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Polyuréthane
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Uréthane
R N C O + H O R'
R N C O
H
O
R'
is o c ya n a te a lc o o l
u ré th a n e
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Polyuréthane : réaction de polyaddition
R N C O + H O R'
R N C O
H
O
R'
d iis ocyanate dio l
po lyuréthane
NCO O H
ONC
H
O
O
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Exemples
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ISOCYANATES
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• Aromatiques• Cycles aromatiques - insaturations
–Sensible à la lumière–Jaunit–Moins cher
TDI : Toluène Di-IsocyanateMDI : Méthylène Diphényl di
Isocyanate
• Aliphatiques• Pas de cycles aromatiques
–Peu sensible à la lumière–Ne jaunit pas–Plus cher
HDI : Hexamethylène Di-IsocyanateIPDI : IsoPhorone Di-Isocyanate
Diisocyanates
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Diisocyanates aromatiques
Solide, température de fusion = 37°C
C15H10N202, masse molaire = 250 g/mol
Température de fusion = 22°C
C9H6N202, masse molaire = 174 g/mol
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TDI MDI
Même réactivitéPlus réactif Moins réactif
1
2
4
1
4’4
1’
Toluène Dinitrotoluène Toluène diamine
C-H ���� C-NO2 C-NO2 ���� C-NH2
C-NH2 ���� C-NCO
Toluène diisocyanate
TDI
NitrationHNO3 + H2SO4
HydrogénationH2/cat. Phosgénation
COCl2
Synthèse de TDI
C=O + Cl-Cl ----------� Cl-C-Cl=O
Synthèse du phosgène
Phosgène : gaz très toxique
fusion – 118°C, ébullition +8°C
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Synthèse du TDI
1. HNO3 / H2SO4
2. H2 , Nickel Raney
3. COCl2 , -HCl
Deux isomères
1
26
1
2
4
80 % : isomère 2,4 20 % : isomère 2,6
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Diisocyanates aliphatiques
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HDI
Hexaméthylène diisocyanate
168 g/mol - liquide
IPDI
Isophorone diisocyanate
222 g/mol - liquide
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N
N C O
C O
OCNNCO
POLYOLS
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Diol et Polyol
• Diol : HO-CH2-CH2-OH (éthane-1,2-diol)
Chaine ou squelette : -CH2-CH2- C2H4 : 28 g/mol
• En pratique, on utilise des diols ayant des
squelettes longs et variés
500 – 6000 g/molOHHO
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Synthèse de polyéther diol
O HOO
OOH
( )n+
Propane-1,2-diol + Oxyde de Propylène polyéther diol
Polyaddition d’oxyde de propylène
OH
OH
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Diol
fonctionnalité = 2
Réseau bi-dimensionnel ou linéaire
Thermoplastique
Triol
fonctionnalité = 3
Réseau tri-dimensionnelou réticulé
Thermodurcissable
OHHO OHHO
OH
Fonctionnalité
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Polymères
Réseau linéaire
thermoplastique
Réseau tridimentionnel
thermodurcissable
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Exemples
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Synthèse de polyester diol
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HO OH + n HO C
O
C
O
OH
- H2O
T > 200 °C
O O C
O
C
O
O O
(n + 1)
H H
n
10 avril 2013 F. Backenstrass - 29ièmes Olympiades Nationales de la Chimie - Chimie et Sport
Polyester polyols
Diols :
- Ethylène glycol
- Diéthylène glycol
- Propylène glycol
- Néopentyl glycol
- Butane-1,4-diol
- Hexane-1,4-diol
Polycondensation de diols et d‘acides carboxyliques
Masse molaire : 300-2000 g/mol, Fonctionnalité 2
Diacides :
-Phtalique
-Téréphtalique
- Adipique
- Glutarique
- Succinique
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Choix du polyol
Isocyanate
Polyether polyols
Polyester polyols
Polycarbonate polyols
+
+
+
Flexible
Résistant à l’hydrolyse
Peu résistant aux UV !!!
Flexible
Peu résistant à l’hydrolyse !!!
Résistant aux UV
Flexible
Résistant à l’hydrolyse
Résistant aux UV !
R O C
O
O R OHOHn
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POLYURETHANE
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Chimie des uréthanes
-------N=C=O + H-O----- ------NH-CO2 -------
Isocyanate Alcool Uréthane
-------N=C=O + H-O-H ------ NH-COOH
Isocyanate eau Acide carbamique
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+
Isocyanate
OH+R NC O H
eau+
R N C OH
H O
Acide carbamique
R N H
H
Amine Dioxyde de carbone
Bulle de gaz
CO2
Réaction avec l‘eau : formation de mousse
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Nucléation
Cellules de mousse
Bulles de CO2
Formation de mousse
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Cellule ferméeCellule ouverte
Mecanisme d‘ouverture
de cellule
Cellules ouvertes – cellules fermées
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respirant
absorbant
isolant phonique
hydrophobe
cellules ouvertesMousses flexibles
cellules ferméesMousses rigides
Structure des cellules et propriétés
isolant thermique
résiste à la pression
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Application : mousse flexible
Meubles rembourrés
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Application : mousse rigide
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Diversité du polyuréthaneP
OLY
UR
ET
HA
NE
MOUSSE
FLEXIBLEtapis de réception saut à la perche
ou en hauteur
RIGIDE Planche de surf et windsurf
INTEGRALE Volant de voiture de sport
THERMODURCISSABLE
MICROCELLULAIRESki
COMPACT
ELASTOMERE Roues de roller blade
GEL Selles de vélo, semelles absorbantes
COMPOSITE Coques de bateaux
PEINTURE, REVETEMENTSols de salle de sport
Cuir artificiel pour ballons et chaussures
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Exemples
3510 avril 2013 F. Backenstrass - 29ièmes Olympiades Nationales de la Chimie - Chimie et Sport
Formulation : choix
• Isocyanate :– Aromatique ou aliphatique, cyclique ou linéaire,
• Polyol : – Masse molaire, nature de la chaine, fonctionnalité, etc…
• Rapport de mélange NCO/OH : Stoechiométrie
– Incidence majeure sur les propriétés
• Additifs :
– catalyseurs, stabilisants, anti-oxydants, anti-feu, anti-statiques, etc..
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Production d’une pièce en PU
Tête de
mélange
Dosier-
kolben
Ý Ý
Polyol
+
Additifs
Moule
Isocyanate
DosageDosage
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Cuir synthétique en polyuréthane
• Automobile
• Matériaux techniques
• Sport
• Mode
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Cuir synthétique en polyuréthane
Page 39
Dispersion aqueuse de polyuréthane
Goutte de polyuréthane (ø~100 nm)
eau
Goutte de PU stabilisée
Procédé en phase aqueuse
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Cuir synthétique en polyuréthane
Page 40
Substrattextile
lamination
liantpeau
revêtement microcellulaire
PapierAnti-adhésif
PapierAnti-adhésif
Cuir synthétique
séchage
séparation
� � �� ��
H2O H2O H2O
Dispersion aqueuse de polyuréthane
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Séparation cuir sythétique - papier
T>200 °C
Papier anti-adhésif
Substrat textile
Mousse PU
Liant PU
Peau/surface PU
Finition PU
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H2O
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PeauPeauPeauPeau et et et et finitionfinitionfinitionfinition
CoucheCoucheCoucheCouche lianteliantelianteliante
SubstratSubstratSubstratSubstrat
CoucheCoucheCoucheCouche micro micro micro micro cellulairecellulairecellulairecellulaire
Observation au microscope électronique
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FOOT : TANGO 12
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Polycarbonate
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Synthèse du polycarbonate
Phénol Acétone Phénol Bisphénol A
COCl2,
Catalyseur = NaOH
-HCl
polycarbonate
CONDENSATION
ET
POLYCONDENSATION
Phosgène : gaz très toxique
fusion – 118°C, ébullition +8°C
C=O + Cl-Cl ----------� Cl-C-Cl=O
Synthèse du phosgène
NaOH
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Acetone
Bisphénol A
Phosgène
Evaporation et
Concentration
NaOH
CO
Cl2
PC
Solution
Réaction
PC
Phenol
BPA
Solution
Tier
OEM
PC Compounding
Production de polycarbonate
Production mondiale > 3,5 million de tonnes/an
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Status 2005-10-06Status 2005-10-06
Polycarbonate
Plaques
Granulés Films
Produits
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Propriétés du polycarbonate
Optique
Clair et transparent comme le verre
Résistance
Résistance mécanique et résilience élevées
Stabilité dimensionnelle
Exceptionnellement élevée, aucun changement de dimension
due à l’absorption d’eau, pas de rétraction
Résistance à la chaleur
Température de transition vitreuse > 148 °C
Résistance à l’amorce de feu, isolation électrique,
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Status 2005-09-26
Polycarbonate : principales applications
Toits transparents
Automobile
Médical
Emballage
Construction
Sports et Loisirs
Electronique Bouteilles d’eau incassablesOptique
Pièces automobiles
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Transparence et Résistance
Qualité optique, stabilité aux UV
Haute résistance aux impacts
Casque de football américain, Xenith (Canada)Visière
Haute résistance aux impacts
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Transparence et Résistance
Protection des yeux
Amelie Kober : médail d’argent en Snowboard à Turin en 2006
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Polycarbonate et Sport
• Bateaux : feux de position, lampes,
• Fenêtre de toboggans
• Boitiers de compas et de jumelles
• Flotteurs de cannes à pêche
• Boucles de chaussures de skis
• Lunette de ski et de plongée
• Pare-brise de snowmobile
• Casques de protection et visières de casques
• Briques de LEGO
• Etc.
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