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FESTIVAL DES SCIENCES
19 - 20 – 21 mars 2002
Biologie et chimie au quotidien
LE PLASTIQUE, EST-CE FANTASTIQUE ?
Atelier destiné aux élèves de 5e et 6e
Préparation et présentation par des étudiants
d’agrégation en sciences
Valérie Blomart
Mary-Ann del Marmol
Florence Ledèque
1
Situation-problème
Le plastique, est-ce fantastique ?
Production mondiale : 180 millions de tonnes/an.
Supposons que l’ensemble des polymères de synthèse soient produits sous forme de blocs de 1 m3
alignés à la queue leu leu, on pourrait parcourir plus de 4 fois le tour de la terre !1
La Belgique arrive au premier rang mondial2
de la production de matière plastique (430 kg /hab.)
et
de leur transformation (175 kg/hab.).3
60% des matières plastiques vagabondent dans la nature…
Que faire ?
Vous êtes envoyés par le ministère de l’environnement. Votre mission est la
suivante :
1) Trier les matières plastiques les plus courantes.
2) Apprendre à transformer les matières plastiques.
3) Imaginer une stratégie de contrôle pour maîtriser les matières
plastiques.
Notes pour l’enseignant :
Afin de guider les élèves vers la résolution de la question-problème et qu’ils
accomplissent les différentes activités pour répondre aux objectifs de leurs
missions, une liste exhaustive de questions est proposée.
1
Chimie nouvelle, n° 75, sept. 2001, p. 3297.
2
Le consommateur et l’environnement. Les emballages plastiques.
La chimie au quotidien, Laszlo Hevesi, cours interfacultaire, 1999-2000 (FUNDP)
3
Polymères biodégradables ou quand le plastique retourne à la poussière. Pr. P. Dubois, Journées de recyclage
Chimie verte, 21-23 janv. 2002, ICAFOC, U.C.L.
2
Enjeux de la situation-problème :
Demander aux élèves de reformuler ce qu’on attend d’eux en tant que membre du
ministère de l’environnement.
Trier les matières plastique :
Introduction à l’activité.
• En fonction de quels critères allez-vous classer les plastiques ?
• De quelles matières plastiques sont composés les emballages les plus
courants ?
Test de densité.
• A quoi peut servir le test de densité en ce qui concerne votre mission ?
Test à la flamme.
• Pour quelles raisons travaillons-nous sous hotte ? (émissions de gaz nocifs,
inflammabilité)
• Suite au test, quels seraient selon vous les thermoplastiques les plus
dangereux ?
Transformation du plastique :
Introduction à l’activité.
• Par quel type de liaison les « monomères » sont-ils assemblés ?
(liaison covalente)
• Quelle est la réaction chimique permettant d’obtenir un polymère de
synthèse ? (polymérisation : assemblage des monomères)
Propriétés de certains thermoplastiques.
• Que s’est-il passé avec le polystyrène après chauffage dans l’eau
bouillante et refroidissement ?
• Que peut-on faire avec le polystyrène expansé ?
Opérations de transformation.
(démonstration par l’Athénée Royale de Ciney)
3
• Quelles sont les propriétés intrinsèques du plastique qui permettent de le
« transformer » ? (légèreté, aspect esthétique, transparence, résistance
mécanique, résistance thermique)
• Quelles sont les inconvénients de l’utilisation des matières plastiques ? ( à
haute température, perte des caractéristiques intrinsèques du plastique :
souplesse, stabilité dimentionnelle ; électricité statique engendrée par des
poussières déposées après frottement)
Stratégie de contrôle pour maîtriser les matières plastiques
(recyclage) :
• Que peut-on faire pour limiter les déchets de plastique ? (acheter des
produits non emballés, éviter les produits suremballés, adapter les achats
aux besoins : ex, acheter 1 kg de yaourt plutôt que six petits pots)
• Pour quelles raisons recycler les matières plastiques ? ( Cela permet
d’économiser la phase d’extraction du pétrole, de son transport, de sa
distillation et de son craquage, toutes ces étapes qui consomment de
l’énergie et polluent.)
4
I. Concepts en jeu
Les matières plastiques sont des polymères de synthèse le plus souvent
organiques. Ces polymères sont classés en deux grandes familles en fonction de
leur comportement à la chaleur : les thermodurcissables (pas de transformation
par chauffage, réaction irréversible) et les thermoplastiques (transformation
par chauffage, réaction réversible).
Les thermodurcissables peuvent produire de l’énergie par incinération.
Les thermoplastiques sont utilisés dans de nombreux secteurs d’activité, dont
l’un d’entre eux est en plein essor : la plasturgie. Celle-ci consiste à manipuler et
à transformer les polymères de synthèse.
Cette nouvelle technologie, basée sur la chimie du plastique, permet aussi de
transformer les plastiques recyclés.
La première étape du recyclage est le triage, qui exploite les différentes
densités des thermoplastiques.
Voir carte conceptuelle : annexe 1
II. Lien avec le programme (3ème
degré de l’enseignement de
transition)
Thème : réactivité et usages de quelques produits chimiques domestiques.
Savoirs : notion de réactivité chimique, transformation et utilisation de
substances : éléments de chimie générale et de chimie organique, y compris
quelques applications dans divers domaines et secteurs d’activité.
Niveaux de maîtrise : notion de polymère ; distinction des différents
plastiques ; débattre d’avantages et d’inconvénients des matières plastiques .
CG6 : Elaborer un dossier permettant d’évaluer l’impact de découvertes
scientifiques ou d’innovations technologiques sur notre mode de vie et sur
l’environnement en vue de responsabiliser un public-cible.
5
Compétences scientifiques :
 S’approprier des concepts fondamentaux, des modèles ou des principes.
• En évaluer la portée et les limites.
• Les utiliser pour rendre compte des faits observés.
 Conduire une recherche et utiliser des modèles.
• Utiliser des modèles en tenant compte de leur domaine
de validité.
• Elaborer une synthèse critique.
 Utiliser des procédures expérimentales.
• Détecter un problème
• Observer un phénomène.
 Utiliser des savoirs scientifiques pour enrichir des représentations
interdisciplinaires.
• Etablir un lien entre le développement des sciences et
des technologies, et par exemple la pratique de
certaines activités et leur impact sur l’environnement.
III. Déroulement
1) Introduction du thème
Pour résoudre la question-problème, nous allons dans un premier temps poser aux
élèves quelques questions pour éveiller leur curiosité.
A. Questions avec hypothèses de réponse.
Comment définiriez-vous la matière plastique ?
 matière synthétique que l’on utilise dans l’industrie
 matière avec laquelle de nombreux ustensiles sont fabriqués
(emballage, tuyaux d’isolation, …)
 mou, rigide, de différentes couleurs…
Que peut-on faire avec le plastique ?
6
 Des objets, des emballages, des vêtements, des objets de voiture, des pneus,
des isolants électriques, des meubles.
 Il peut être recyclé.
 On peut en retirer de l’énergie en l’incinérant.
Quels sont les avantages de l’utilisation du plastique ?
 Sur le plan écologique, la consommation du bois pourra être diminuée.
 Il peut être réutilisé après recyclage.
 Certains plastiques avec certains additifs (amidon) peuvent être rendus
biodégradables.
Quel problème entraîne l’utilisation du plastique ?
 Il est cher.
 Il s’abîme.
 Il ne se dégrade pas facilement.
Pour qe les élèves puissent conceptualiser ce que sont les matières plastiques,
nous leur expliquerons le principe de polymérisation à l’aide de « modules
Solvay ». Ensuite, les élèves auront à accomplir leurs missions.
B. Missions.
Trier les matières plastiques.
Après avoir séparé les thermoplastiques des thermodurcissables par réaction à
la chaleur, les élèves devront identifier les thermoplastiques les plus courants en
remplissant une carte d’identité (test à la flamme et test de densité).
Transformer les thermoplastiques.
Ils apprendront à transformer les matières plastiques par différentes réactions
chimiques avant de s’initier à la plasturgie.
Imaginer une « Stratégie de contrôle » des matières plastiques.
Ils devront imaginer et appliquer un des moyens de recyclage.
7
2) Organisation
a. Travail par groupe de trois élèves, chaque groupe étant suivi par une
stagiaire.
b. Matériel disposé à l’avance sur les tables.
c. Fiches explicatives pour chaque mode opératoire et les cartes
d’identité à compléter disponibles sur les tables.
d. Distribution du questionnaire (recueil de représentations) en début
d’activité, répondre aux mêmes questions en fin d’activité.
3) Timing
10’ : Présentation du poster.
Réponses au questionnaire (recueil de représentations /conceptions).
10’ : Principe de polymérisation.
Classification des thermodurcissables et des thermoplastiques.
30’ : Explication des modes opératoires (5’).
Manipulations : identification à la flamme (15’), test de densité (10’).
45’ : Applications (polymère expansible et superabsorbant) (15’).
Plasturgie : (30’).
15’ : Recyclage.
10’ : Réponses au questionnaire (recueil de représentations /conceptions).
IV. Questionnaire destiné aux élèves
Questionnaire qui permet de recueillir les conceptions/représentations des élèves, rempli en
début et fin d’activité .
1. Quelle est l’origine du plastique ?
8
Réponse : Le plastique a une origine organique, il provient du pétrole.
Informations supplémentaires pour l’enseignant :
Origine du plastique4
:
Il y a des millions d’années le plancton peuplait les larges océans. Le plancton
mort tombé dans les fonds marins fut recouvert par des couches de sédiments.
Alors que les sédiments s’enfonçèrent de plus en plus, la température et pression
augmentèrent, ce qui transforma les restes de plancton en pétrole et gaz naturel
(principalement en méthane et éthane).
La production de plastique commence par un processus de distillation. Dans une
raffinerie, le fuel (crude oil) est séparé en différentes fractions. Le fuel est
chauffé et transformé en gaz qui entre dans un grande colonne. Alors que le gaz
se refroidit, les différentes fractions qui ont chacune une température propre
d’ébullition se recondensent en différents liquides.
Chaque fraction est un mélange de chaînes d’hydrocarbones qui varient par la
dimension et la structure de leurs molécules. Une de ces fractions, le naphte est
un élément crucial pour la production de plastique.
Un processus de séparation thermique appelé « cracking » brise le naphte en
différentes molécules d’hydrocarbones telles que l’éthylène, le propylène et le
butylène.
Des molécules d’hydrocarbones comme l’éthylène et le propylène sont à la base
de la production du plastique. Dans une réaction chimique appelée polymérisation,
un grand nombre de molécules individuelles sont soudées afin de former des
chaînes de polymères.
Les différents plastiques sont formés de différentes structures de chaînes de
polymères qui déterminent de nombreuses propriétés physiques.
2. Avez-vous des objets en matière plastique avec vous et quels sont-ils ? D’après vous, quelle
est la durée de vie moyenne des matières plastiques ?
Réponse :
4
Plastic manufactured http://www.apme.org/dashboard.asp
9
Plusieurs centaines d’années pour tous les objets en matière plastique. Enterrée, une
bouteille en plastique pourrait durer plusieurs siècles.
3. Qu’est-ce que le plastique, de quels éléments chimiques sont-ils majoritairement constitués ?
Réponse :
Les matières plastiques sont des matériaux organiques5
; ils contiennent donc toujours
l’élément carbone et, presque toujours l’élément hydrogène. Ils comportent aussi souvent les
éléments oxygène , azote, chlore et fluor.
Le mot « plastique » suggère un seul matériau, il existe en fait plusieurs centaines de
polymères plastiques.
4. Si vous deviez représenter la structure d’une matière plastique, comment la dessineriez-
vous ?
Réponse :
Les matières plastiques sont formées de macromolécules6
de masses molaires
comprises entre 15 000 et 180 000 g. /mole. Ces macromolécules sont
constituées par la répétition d’une petite unité structurale, appelée motif ou
monomère. On appelle degré de polymérisation ou indice de polymérisation le
nombre moyen de motifs que comporte un polymère. Les monomères sont
toujours des composés insaturés comportant au moins une double liaison C=C.
Lors de la polymérisation7
, il y a ouverture des doubles liaisons et formation
de liaisons simples C-C entre les atomes de carbone qui passent ainsi d’une
structure trigonale à une structure tétragonale.
5. D’après vous, tous les plastiques réagissent-ils de la même façon à la
chaleur ? Comment expliquer ce phénomène ?
Réponse : Voir mode opératoire : expérience sur le triage (test à la flamme).
6. Sachant qu’il existe différents types de plastiques (PVC, PP,…) et que
certains sont plus légers que d’autres, quelle expérience envisageriez-vous
pour parvenir à les différencier ?
Réponse : Voir mode opératoire : expérience sur le triage (test de densité)8
.
Nettement moins denses que les métaux, les plastiques ont des densités
voisines de celle de l’eau (0.9 à 1.4 mg/l).
7. A votre avis, par quel procédé obtient-on une bouteille en plastique ?
Comment est-elle « fabriquée »?
5
Physique Chimie 2de coll. Durandeau-Durupthy, Hachette éducation Paris, 1993, p370
6
idem
7
idem
8
Physique Chimie 2de coll. Durandeau-Durupthy, Hachette éducation Paris, 1993, p. 369.
10
Réponse : Extrusion-soufflage9
: Un moule creux se referme sur une section
d’un tube de matière chaude et le coupe. De l’air sous pression est alors
insufflé dans le tube encore chaud, lui faisant épouser les parois d’un moule.
Informations supplémentaires pour l’enseignant :
Quelques techniques de transformation des matières plastiques…ou
plasturgie.
Extrusion : La matière entre dans un cylindre chauffé au milieu duquel tourne
une vis sans fin qui l’homogénéise et la conduit dans une filière pour lui donner
sa forme définitive. Elle est alors refroidie par une circulation d’eau.
Exemple : tuyaux d’arrosage, isolation des fils électriques,…
Injection : Cette technique est analogue à l’extrusion mais la matière ramollie
accumulée devant la vis est poussée dans un moule qui va ensuite s’ouvrir et
éjecter la pièce.
Exemple : semelles de chaussures, capots pour écrans d’ordinateur,…
Calandrage : On chauffe et on malaxe un mélange de PVC pour en faire une
pâte visqueuse. Passant entre plusieurs cylindres, cette pâte est transformée
en une feuille continue qui est refroidie puis enroulée.
Exemple : emballages alimentaires, industriels et pharmaceutiques,…
8. Pour quelle raison la commune oblige-t-elle les citoyens consommateurs à
acheter des sacs poubelles bleus ?
Réponse : Pour la récolte des différents plastiques, pour le recyclage10
,11
.
V. Modes opératoires
(Kit plastiques©, FECHIPLAST)
1) Trier les matières plastiques.
A. Comportement des polymères vis-à-vis de la chaleur :
Objectifs de la manipulation :
9
Le consommateur et l’environnement. Les emballages plastiques.
La chimie au quotidien, Laszlo Hevesi, cours interfacultaire, 1999-2000 (FUNDP)
10
Le cycle de vie de la bouteille en PET http://www.restena.lu/aneil/bulli3_97/pet.html
11
Le consommateur et l’environnement. Les emballages plastiques.
La chimie au quotidien, Laszlo Hevesi, cours interfacultaire, 1999-2000 (FUNDP)
11
Distinguer les matières plastiques ; les thermoplastiques et les
thermodurcissables12
sur base de leur comportement à la chaleur.
Partie 1 :
Matériel et produits :
• berlin de 500 ml
• baguette en verre
• plaque chauffante
• matières plastiques diverses
• eau
Sécurité :
Faire attention de ne se pas se brûler avec la plaque chauffante.
Mode opératoire :
• Remplir au 3/4 un berlin de 500 ml avec de l’eau
• Chauffer l’eau à l’aide d’une plaque chauffante
• Prendre des déchets plastiques venant d’une poubelle bleue et les trier selon
leur numéro ou leur symbole
• Couper ces déchets en morceaux
• Une fois que l’eau est chaude, introduire les morceaux de plastique dans le
berlin
Observations :
Une partie des morceaux de plastique ont tendance à se déformer, ramollir, voir
même fondre. Alors que d’autres morceaux de plastique ne changent pas de
forme, ils restent durs même sous l’action de la chaleur.
Partie 2 :
Matériel et produits :
• bec bunsen
12
Physique Chimie 2de, coll. Durandeau-Durupthy Hachette éducation, Paris, 1993, p.374
12
• pince en bois
• petit pot gervais
• prise de courant
Sécurité :
Faire attention de ne pas se brûler avec le bec bunsen.
Mode opératoire :
• Régler le bec bunsen (flamme faible)
• Placer le petit pot gervais au sommet de la flamme sans le faire brûler
• Placer la prise de courant au sommet de la flamme
Observations :
Le petit pot gervais s’aplatit alors que la prise de courant reste tel quel.
Interprétation :
• Les thermoplastiques peuvent être modulés et remodelés sous l’action de la
chaleur. Les chaînes constituant ces polymères sont reliées entre elles par
des forces de cohésion assez faibles. Lorsqu’on élève la température,
l’agitation thermique des molécules devient plus importante que les forces de
cohésion, les chaînes peuvent alors se déplacer les unes par rapport aux
autres. Ces chaînes se réarrangent différemment pour donner une autre
forme globale. Après refroidissement, le polymère thermoplastique garde sa
nouvelle forme.
Ex : bouteilles d’eau, sacs plastiques, pots de produit laitier, …
• Les thermodurcissables, quant à eux, se durcissent sous l’action de la chaleur.
Ils ne peuvent pas être remodelés. L’augmentation de température entraîne la
formation de liaisons covalentes entre les chaînes de polymères d’où
l’obtention de structures réticulées à mailles serrées. On obtient donc un
polymère rigide par cette modification chimique irréversible. Ce polymère ne
pourra plus être ramolli sous l’action de la chaleur. Ces polymères doivent
donc être moulés lors de leur formation. Ex : prises de courant
Remarques :
13
• Il existe une troisième catégorie de plastiques : les élastomères. Ceux-ci
peuvent subir une déformation à froid sous l’action d’une contrainte
mécanique et retrouvent leur forme dès que la contrainte cesse. Ex : les
pneumatiques sont constitués d’élastomères synthétiques.
• Le petit pot gervais possède une mémoire thermoplastique13
c-à-d que celui-ci
va reprendre sa forme initiale par chauffage. La mémoire thermoplastique est
une propriété des polymères thermoplastiques mis en forme par
thermoformage c-à-d, moulage d’une plaque rigide ramollie par chauffage puis
pressée contre les parois refroidies d’un moule pour obtenir un corps creux.
B. Identification des thermoplastiques par la flamme, la fumée, l’odeur.
Objectifs de la manipulation :
Distinguer différents thermoplastiques dont le polystyrène (PS), le polyéthylène
haute densité (PEHD), le polypropylène (PP), le polychlorure de vinyle (PVC) et le
polyéthylène téréphtalate(PET).
Matériel et produits :
• une languette de PS
• une languette de PEHD
• une languette de PP
• une languette de PVC
• une languette de PET
• bec bunsen
• pince en boi
Sécurité :
Au moment de sentir l’odeur de la fumée, ne pas approcher la languette trop près
du nez. Faire attention aux risques de brûlures par le bec bunsen et par les
gouttes enflammées des thermoplastiques.
Mode opératoire :
• Allumer le bec bunsen
• Prendre une languette à l’aide d’une pince
13
Physique Chimie coll. Durandeau-Durupthy, Hachette éducation, Paris, 1993, p.370
14
• Amener la languette au-dessus de la flamme
• Retirer la languette de la flamme
• Observer la flamme et la fumée
• Sentir l’odeur de la fumée
• Identifier les languettes avec la carte d’identité
Observations :
• Pour le PS14
:
- Continue à brûler en dehors de la flamme.
- La flamme est jaune.
- La fumée dégagée est noire.
- On a la formation de gouttes enflammées.
- Une odeur de gaz se dégage.
• Pour le PEHD :
- Continue à brûler en dehors de la flamme.
- La flamme est jaune à base bleue.
- Peu de fumée noire se dégage.
- On a la formation de gouttes enflammées.
- Une odeur de bougie se dégage.
• Pour le PP :
- Continue à brûler en dehors de la flamme.
- La flamme est jaune à base bleue.
- Peu de fumée noire se dégage.
- On a la formation de gouttes enflammées.
- Une odeur d’asphalte se dégage
• Pour le PVC :
- S’éteint en dehors de la flamme.
- La flamme est jaune.
- La fumée dégagée est blanche.
- Une odeur d’HCl se dégage.
• Pour le PET :
- Difficile à enflammer, s’éteint en dehors de la flamme.
- La flamme est jaune-orange.
- La fumée dégagée est blanche.
14
Pour en savoir plus sur les polymères commerciaux Fechiplast fiche 14
15
- Une odeur de fleur de souci se dégage.
C. Identification des thermoplastiques par le test de densité.
Objectifs de la manipulation :
Distinguer les différents thermoplastiques dont le polystyrène (PS), le
polyéthylène haute densité (PEHD), le polypropylène (PP), le polychlorure de
vinyle (PVC) et le polyéthylènetéréphtalate(PET).
Matériel et produits :
• une languette de PS
• une languette de PEHD
• une languette de PP
• une languette de PVC
• une languette de PET
• un berlin de 2 litres
• détergent
• sel
• eau
• baguette en verre
Sécurité :
Eviter tout contact du détergent avec yeux. Si contact, rincer abondamment
avec de l’eau.
Mode opératoire :
• Remplir le berlin d’eau
• Ajouter quelques gouttes de détergent
• Ajouter du sel
• Plonger les 5 languettes dans le berlin
Observations :
16
Les languettes se placent à des hauteurs différentes dans le berlin. Du bas vers
le haut, l’ordre des languettes est le suivant :
1) languette incolore (PET)
2) languette grise (PVC)
3) languette blanche (PS)
4) languette noire (PEHD)
5) languette beige (PP)
Interprétation :
Les plaquettes ayant des densités15
,16
différentes, elles vont se répartir à des
hauteurs différentes dans la solution. Les différences de hauteur sont très
faibles car les densités sont proches les unes des autres. Du bas vers le haut on
trouve : PET, PVC, PS, PEHD, PP. Les densités correspondantes sont les
suivantes : 1.35 g/ml, 1.19-1.38 g/ml, 1.05 g/ml, 0.94-0.965 g/ml et 0.902-0.907
g/ml.
En conclusion, plus la densité est élevée, plus la languette sera dans le fond du
récipient contenant la solution.
Remarques :
- L’ajout de détergent sert à retirer la couche protectrice se trouvant sur les
languettes.
- L’ajout de sel sert à augmenter la densité de l’eau pour obtenir une meilleure
séparation des languettes (deau sans sel = 1 g/ml).
15
Physique Chimie coll.Durandeau-Durupthy, Hachette éducation,Paris,1993, p.369.
16
idem, p.375
17
2) Transformer les matières plastiques
A. Propriétés de certains thermoplastiques.
Partie 1 : Polystyrène expansé
Objectifs de la manipulation :
Montrer que l’on peut obtenir des objets aux formes particulières à partir de la propriété
d’expansion de billes de polystyrène.
Matériel et produits :
• berlin de 200 ml
• plaque chauffante
• cuillère à soupe
• boule à thé ou œuf kinder percé de trous
• eau
• billes de polystyrène
Sécurité :
Eviter les brûlures avec la plaque chauffante. Faire attention au dégagement de
pentane qui forme un mélange explosif avec l’air .
Mode opératoire :
• Remplir un berlin d’eau et faire bouillir celle-ci
• Remplir une boule à thé ou un œuf kinder à moitié avec des billes de
polystyrène
• Mettre boule ou œuf dans l’eau chaude pendant 5 minutes
• Retirer la boule ou l’œuf et mettre sous l’eau courante
• Ouvrir la boule ou l’œuf et récupérer l’objet préparé
Observations :
On constate que le polystyrène occupe tout le volume de l’œuf « kinder
surprise » (ou de la boule à thé) après expansion.
18
Interprétation :
Les billes de polystyrène sont imprégnées de pentane. Lorsque ces billes sont
plongées dans une eau entre 80 et 100°C, le polymère ramollit et le pentane se
vaporise d’où les billes de PS vont gonfler jusqu’à multiplier leur volume par 50.
Les billes en expansion vont occuper tout le volume disponible. Le PS ramollit au
contact avec l’œuf « kinder surprise » déterminera la forme finale.
Partie 2 : Polymère superabsorbant
Objectifs de la manipulation :
Montrer que l’on peut piéger rapidement une grande quantité d’eau au moyen d’un
polymère superabsorbant (polyacrylate de sodium).
Matériel et produits :
• berlin de 200ml
• eau
• polymère superabsorbant
• cuillère à soupe
• sel
Sécurité :
Eviter tout contact du polymère superabsorbant avec les yeux.
Mode opératoire :
• Mettre une cuillère à soupe de polymère superabsorbant dans un berlin de
200 ml
• Ajouter un peu d’eau
• Retourner le berlin sur la table
• Observer
• Ajouter du sel (5g par 5g)17
• Observer
Observations :
17
Physique Chimie coll. Durandeau-Durupthy , Hachette éducation, Paris p.375
19
Le superabsorbant18
sert à capter l’eau formant une espèce de gel.
En retournant le berlin, on remarque que l’eau est maintenue à l’intérieur grâce
au superabsorbant.
Après ajout de sel, le gel se liquéfie.
Interprétation :
• Le superabsorbant est utilisé pour sa propriété spécifique : « la rétention ».
Le superabsorbant possède des chaînes macromoléculaires. Quand ce
polymère est en contact avec une solution aqueuse, celle-ci va solvater les
groupements polyacrylates se trouvant sur ces chaînes. Les chaînes sont alors
chargées négativement et vont se repousser, ce qui crée une extension du
polymère. Les molécules d’eau sont retenues dans ce réseau grâce à des
liaisons hydrogène.
• Lorsqu’on ajoute du sel dans le gel, celui-ci étant un électrolyte fort, il va se
dissocier en ions Na+
et Cl-
, ces ions seront solvatés par l’eau piégée par le
polymère. Il y a compétition entre les interactions eau/polymère et eau/ions
Na+
et Cl-
. Plus la quantité de sel augmente, plus on supprime les liaisons
eau/polymère et on obtient un milieu fluide.
B. Transformation des matières plastiques.
(Section plasturgie de l’Athénée Royale de Ciney)
Objectifs de la manipulation :
Mettre en évidence l’importance du plastique dans la vie de tous les jours et les
techniques utilisées pour sa transformation19
.
Matériel et produits :
Machines venant de l’Athénée de Ciney.
Sécurité :
18
Comportement des polymères vis à vis de la chaleur. Fechiplast fiche n10.
19
http://www.laplasturgie.fr/plast/histoire.php3
20
Ne pas utiliser les machines tout seul, avoir un responsable à côté.
Mode opératoire :
Regarder le fonctionnement des machines et réaliser une opération de
transformation du plastique
Observations :
Les matières plastiques peuvent être transformées en objets utiles à la vie
quotidienne.
Interprétation :
Thermoformage 20
,21
:
La feuille de plastique est ramollie par chauffage. Ensuite, une forme percée de
trous monte et aspire l’air pour que le plastique colle parfaitement la forme. Puis,
de l’air fait décoller le plastique. La forme redescend et on extrait la feuille de
plastique moulée.
(Soudure , pliage )
3) Imaginer une « stratégie de contrôle » des matières plastiques
(Recyclage)
Objectifs de la manipulation :
Faire prendre conscience que le recyclage est la meilleure solution pour que le plastique ne se
retrouve pas dans la nature… mais qu’il peut être réutilisé.
Matériel et produits :
• Plusieurs morceaux de thermoplastiques
20
Physique Chimie 2de coll. Durandeau-Durupthy Hachette éducation, Paris,1993, p.370.
21
Le consommateur et l’environnement. Les emballages plastiques.
La chimie au quotidien, Laszlo Hevesi, cours interfacultaire, 1999-2000 (FUNDP)
21
• Baguette en verre
• Berlin de 100 ml
• Plaque chauffante
• Moule
Sécurité :
Eviter les brûlures avec la plaque chauffante et le plastique fondu.
Mode opératoire :
• Trier les thermoplastiques et les thermodurcissables
• Couper les thermoplastiques en morceaux
• Allumer la plaque chauffante
• Mettre les morceaux de plastiques dans le berlin
• Mélanger avec une baquette en verre
• Quand le plastique est assez ramollit, placer le dans le moule
• Laisser refroidir et retirer le plastique
Observations :
Après refroidissement, le plastique fondu gardera la forme du moule.
Interprétation :
Les thermoplastiques se ramollissent à la chaleur (voir manipulation 1 :
dépolymérisation) et sont de ce fait, modulables. Après refroidissement, les
thermoplastiques durcissent (se repolymérisent) et gardent la forme qu’on
désire leur donner.
22
VI. Réponse à la question-problème
a. Trier les matières plastiques les plus courantes.
Le recyclage des matières plastiques les plus courantes se fait principalement par recyclage
mécanique . Une première étape de triage (figure 1, Solvay) permet, à partir de tous déchets
plastiques de :
 Extraire les métaux métalliques.
 Extraire les métaux non métalliques (film aluminium de bouteille de
lait, bouchon, …).
 Nettoyer les parties non utilisables tels que papiers (étiquettes,
fibres, poussières, ….
 Nettoyer (stripper) à la vapeur par un fluide des odeurs de lait, de
savon, volatiles (réservoir de voitures).
 Déchiqueter les matériaux pour les grosses pièces (réservoir de
voitures, pièces d’ordinateur, …) par prébroyage.
 Briser les matériaux en diverses étapes avec de l’eau et séchage.
 Une séparation des divers polymères de synthèse selon leur densité
(cf test de densité)
 Réduire les polymères en granules, poudre…pour leur réutilisation.
Remarque :
Le recyclage peut aussi se faire par recyclage chimique (« feed stock ») : par
voie thermique (expérience possible avec des déchets de plexiglas chauffés dans
une éprouvette et récoltés dans de l’eau froide), on chauffe et on casse les
liaisons des macromolécules. En fait, une dépolymérisation permet d’obtenir les
monomères ou encore plus simple les carbones C=C et la chaîne pendante.
2) Apprendre à transformer les matières plastiques.
 A partir de polystyrène expansé (lui-même obtenu à partir de
styrène), le pentane va passer à l’état gazeux et va faire gonfler le
polystyrène (expérience faite au laboratoire). Exemple : boules de
décoration.
 La plasturgie est un vivant exemple de transformation des matières
plastiques. Exemples : thermoformage, pliage, soudure.
 Avec du plastique recyclé (souvent sous forme de granules), une
multitude de réutilisation des matières plastiques existent.
23
Exemple : vêtements (à partir de 7 bouteilles en PVC), poteaux de
signalisation routière, …
3) Imaginer une « stratégie de contrôle » pour maîtriser les matières
plastiques.22
 Valorisation matière.
La valorisation de la matière consiste à transformer un objet plastique en un
autre objet plastique.
Ainsi, les thermoplastiques, après tri et lavage, sont fondus et remis en
forme pour une nouvelle utilisation et les thermodurcissables, après broyage,
sont utilisés comme charge dans de nouveaux plastiques .
Une charge est un adjuvant destiné à faciliter la mise en œuvre des plastiques, à améliorer
certaines caractéristiques physiques ou chimiques et/ou à diminuer le prix de revient des
plastiques.
 Valorisation chimique
La valorisation chimique consiste à transformer un objet plastique en
monomères, en combustibles, ou en gaz réutilisables. Le recyclage chimique
est en phase de développement et vise à produire une tonne de produits
réutilisables par tonne de plastique.
 Valorisation énergétique
La valorisation énergétique consiste à brûler un objet plastique usager dans
un incinérateur avec récupération d’énergie. Les matières plastiques ont un
pouvoir calorifique à peu près égal à celui du gazole.
La chaleur libérée sert d’une part à produire de l’électricité (5% de la
consommation actuelle d’électricité à Bruxelles est produite de cette
manière) et d’autre part à chauffer certaines installations d’usines ou
d’habitations.
VII. Bibliographie
22
Le consommateur et l’environnement. Les emballages plastiques.
La chimie au quotidien, Laszlo Hevesi, cours interfacultaire, 1999-2000 (FUNDP)
24
Manuels scolaires :
• Physique Chimie, 2e, Ed. Nathan p.317- 328, 1997
• Chimie, 2e, Ed. Natan p. 202- 213, 1993
• Physique Chimie, 2de, coll. Durandeau-Durupthy, Hachette éducation, Paris, p.367-
378, 1993
• Sciences Physiques, 3e, coll. Durandeau-Durupthy, Hachette éducation, Paris p.160-
162, 1994
• Physique Chimie, 3e, Ed. Nathan p.157-162, 1994
Articles :
• Le consommateur et l’environnement. Les emballages plastiques.
La chimie au quotidien, Laszlo Hevesi, cours interfacultaire, 1999-2000 (FUNDP)
• Polymères biodégradables ou quand le plastique retourne à la poussière,
Pr. Dubois P., ICAFOC.
Journées de recyclage Chimie verte U.C.L. 21-23 janv., p. 1-19, 2002
Sites URL :
• http://www.laplasturgie.fr/plast/environnement.php3
La plasturgie
• http://www.agers.cfwb.be/pedag/recheduc/4097-98/techno/3-plastique
Recyclage des matières plastiques : outil pour un module d’enseignement.
• http://www.ecopse. fr/html/fichtech.html
Fiche technique sur le polystyrène expansé (PSE) et environnement.
• http://www.restena.lu/bulli3 97/pet.htm
Cycle de vie d’une bouteille en PET.
• http://www.apme.org/dashboard.asp
Origine du plastique.
Outil pédagogique :
• Expériences sur les polymères (Le Kit plastiques©- Valise de démonstration)
Fechiplast, 1998
Adresses utiles :
25
• Athénée Royal du Condroz « Jules Delot »
Section Plasturgie
Mr Lemaire
Square Omer Bertrand,1
5590 Ciney
083/211512
• Solvay Research and Technology
Rue de Ransbeek, 310
1120 Bruxelles
Visites : Nederover- Hembeek
Mme Demeyer C.
02/2642489 ou 02/2642111
Informations : Mr Yernaux
02/2642826
26
Table des matières
I. Situation – Problème p1
II. Concepts en jeu p4
III. Lien avec le programme p4
IV. Déroulement p5
1) Introduction du thème P5
A. Questions avec hypothèses de réponses p5
B. Missions à remplir p6
2) Organisation p7
3) Timing p7
V. Questionnaire : recueil de représentations
p7
VI. Modes opératoires p11
1) Trier les matières plastiques p11
A. Comportement à la chaleur p11
B. Identification à la flamme,fumée,odeur p13
C. Test de densité p15
2) Transformer les matières plastiques p17
A. Propriétés de certains thermoplastiques p17
B. Transformation des matières plastiques p19
3) « stratégie de contrôle » (recyclage) p20
VII. Réponse à la question-problème p22
VIII. Bibliographie p24
Adresses utiles p25
27
28

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  • 1. FESTIVAL DES SCIENCES 19 - 20 – 21 mars 2002 Biologie et chimie au quotidien LE PLASTIQUE, EST-CE FANTASTIQUE ? Atelier destiné aux élèves de 5e et 6e Préparation et présentation par des étudiants d’agrégation en sciences Valérie Blomart Mary-Ann del Marmol Florence Ledèque 1
  • 2. Situation-problème Le plastique, est-ce fantastique ? Production mondiale : 180 millions de tonnes/an. Supposons que l’ensemble des polymères de synthèse soient produits sous forme de blocs de 1 m3 alignés à la queue leu leu, on pourrait parcourir plus de 4 fois le tour de la terre !1 La Belgique arrive au premier rang mondial2 de la production de matière plastique (430 kg /hab.) et de leur transformation (175 kg/hab.).3 60% des matières plastiques vagabondent dans la nature… Que faire ? Vous êtes envoyés par le ministère de l’environnement. Votre mission est la suivante : 1) Trier les matières plastiques les plus courantes. 2) Apprendre à transformer les matières plastiques. 3) Imaginer une stratégie de contrôle pour maîtriser les matières plastiques. Notes pour l’enseignant : Afin de guider les élèves vers la résolution de la question-problème et qu’ils accomplissent les différentes activités pour répondre aux objectifs de leurs missions, une liste exhaustive de questions est proposée. 1 Chimie nouvelle, n° 75, sept. 2001, p. 3297. 2 Le consommateur et l’environnement. Les emballages plastiques. La chimie au quotidien, Laszlo Hevesi, cours interfacultaire, 1999-2000 (FUNDP) 3 Polymères biodégradables ou quand le plastique retourne à la poussière. Pr. P. Dubois, Journées de recyclage Chimie verte, 21-23 janv. 2002, ICAFOC, U.C.L. 2
  • 3. Enjeux de la situation-problème : Demander aux élèves de reformuler ce qu’on attend d’eux en tant que membre du ministère de l’environnement. Trier les matières plastique : Introduction à l’activité. • En fonction de quels critères allez-vous classer les plastiques ? • De quelles matières plastiques sont composés les emballages les plus courants ? Test de densité. • A quoi peut servir le test de densité en ce qui concerne votre mission ? Test à la flamme. • Pour quelles raisons travaillons-nous sous hotte ? (émissions de gaz nocifs, inflammabilité) • Suite au test, quels seraient selon vous les thermoplastiques les plus dangereux ? Transformation du plastique : Introduction à l’activité. • Par quel type de liaison les « monomères » sont-ils assemblés ? (liaison covalente) • Quelle est la réaction chimique permettant d’obtenir un polymère de synthèse ? (polymérisation : assemblage des monomères) Propriétés de certains thermoplastiques. • Que s’est-il passé avec le polystyrène après chauffage dans l’eau bouillante et refroidissement ? • Que peut-on faire avec le polystyrène expansé ? Opérations de transformation. (démonstration par l’Athénée Royale de Ciney) 3
  • 4. • Quelles sont les propriétés intrinsèques du plastique qui permettent de le « transformer » ? (légèreté, aspect esthétique, transparence, résistance mécanique, résistance thermique) • Quelles sont les inconvénients de l’utilisation des matières plastiques ? ( à haute température, perte des caractéristiques intrinsèques du plastique : souplesse, stabilité dimentionnelle ; électricité statique engendrée par des poussières déposées après frottement) Stratégie de contrôle pour maîtriser les matières plastiques (recyclage) : • Que peut-on faire pour limiter les déchets de plastique ? (acheter des produits non emballés, éviter les produits suremballés, adapter les achats aux besoins : ex, acheter 1 kg de yaourt plutôt que six petits pots) • Pour quelles raisons recycler les matières plastiques ? ( Cela permet d’économiser la phase d’extraction du pétrole, de son transport, de sa distillation et de son craquage, toutes ces étapes qui consomment de l’énergie et polluent.) 4
  • 5. I. Concepts en jeu Les matières plastiques sont des polymères de synthèse le plus souvent organiques. Ces polymères sont classés en deux grandes familles en fonction de leur comportement à la chaleur : les thermodurcissables (pas de transformation par chauffage, réaction irréversible) et les thermoplastiques (transformation par chauffage, réaction réversible). Les thermodurcissables peuvent produire de l’énergie par incinération. Les thermoplastiques sont utilisés dans de nombreux secteurs d’activité, dont l’un d’entre eux est en plein essor : la plasturgie. Celle-ci consiste à manipuler et à transformer les polymères de synthèse. Cette nouvelle technologie, basée sur la chimie du plastique, permet aussi de transformer les plastiques recyclés. La première étape du recyclage est le triage, qui exploite les différentes densités des thermoplastiques. Voir carte conceptuelle : annexe 1 II. Lien avec le programme (3ème degré de l’enseignement de transition) Thème : réactivité et usages de quelques produits chimiques domestiques. Savoirs : notion de réactivité chimique, transformation et utilisation de substances : éléments de chimie générale et de chimie organique, y compris quelques applications dans divers domaines et secteurs d’activité. Niveaux de maîtrise : notion de polymère ; distinction des différents plastiques ; débattre d’avantages et d’inconvénients des matières plastiques . CG6 : Elaborer un dossier permettant d’évaluer l’impact de découvertes scientifiques ou d’innovations technologiques sur notre mode de vie et sur l’environnement en vue de responsabiliser un public-cible. 5
  • 6. Compétences scientifiques :  S’approprier des concepts fondamentaux, des modèles ou des principes. • En évaluer la portée et les limites. • Les utiliser pour rendre compte des faits observés.  Conduire une recherche et utiliser des modèles. • Utiliser des modèles en tenant compte de leur domaine de validité. • Elaborer une synthèse critique.  Utiliser des procédures expérimentales. • Détecter un problème • Observer un phénomène.  Utiliser des savoirs scientifiques pour enrichir des représentations interdisciplinaires. • Etablir un lien entre le développement des sciences et des technologies, et par exemple la pratique de certaines activités et leur impact sur l’environnement. III. Déroulement 1) Introduction du thème Pour résoudre la question-problème, nous allons dans un premier temps poser aux élèves quelques questions pour éveiller leur curiosité. A. Questions avec hypothèses de réponse. Comment définiriez-vous la matière plastique ?  matière synthétique que l’on utilise dans l’industrie  matière avec laquelle de nombreux ustensiles sont fabriqués (emballage, tuyaux d’isolation, …)  mou, rigide, de différentes couleurs… Que peut-on faire avec le plastique ? 6
  • 7.  Des objets, des emballages, des vêtements, des objets de voiture, des pneus, des isolants électriques, des meubles.  Il peut être recyclé.  On peut en retirer de l’énergie en l’incinérant. Quels sont les avantages de l’utilisation du plastique ?  Sur le plan écologique, la consommation du bois pourra être diminuée.  Il peut être réutilisé après recyclage.  Certains plastiques avec certains additifs (amidon) peuvent être rendus biodégradables. Quel problème entraîne l’utilisation du plastique ?  Il est cher.  Il s’abîme.  Il ne se dégrade pas facilement. Pour qe les élèves puissent conceptualiser ce que sont les matières plastiques, nous leur expliquerons le principe de polymérisation à l’aide de « modules Solvay ». Ensuite, les élèves auront à accomplir leurs missions. B. Missions. Trier les matières plastiques. Après avoir séparé les thermoplastiques des thermodurcissables par réaction à la chaleur, les élèves devront identifier les thermoplastiques les plus courants en remplissant une carte d’identité (test à la flamme et test de densité). Transformer les thermoplastiques. Ils apprendront à transformer les matières plastiques par différentes réactions chimiques avant de s’initier à la plasturgie. Imaginer une « Stratégie de contrôle » des matières plastiques. Ils devront imaginer et appliquer un des moyens de recyclage. 7
  • 8. 2) Organisation a. Travail par groupe de trois élèves, chaque groupe étant suivi par une stagiaire. b. Matériel disposé à l’avance sur les tables. c. Fiches explicatives pour chaque mode opératoire et les cartes d’identité à compléter disponibles sur les tables. d. Distribution du questionnaire (recueil de représentations) en début d’activité, répondre aux mêmes questions en fin d’activité. 3) Timing 10’ : Présentation du poster. Réponses au questionnaire (recueil de représentations /conceptions). 10’ : Principe de polymérisation. Classification des thermodurcissables et des thermoplastiques. 30’ : Explication des modes opératoires (5’). Manipulations : identification à la flamme (15’), test de densité (10’). 45’ : Applications (polymère expansible et superabsorbant) (15’). Plasturgie : (30’). 15’ : Recyclage. 10’ : Réponses au questionnaire (recueil de représentations /conceptions). IV. Questionnaire destiné aux élèves Questionnaire qui permet de recueillir les conceptions/représentations des élèves, rempli en début et fin d’activité . 1. Quelle est l’origine du plastique ? 8
  • 9. Réponse : Le plastique a une origine organique, il provient du pétrole. Informations supplémentaires pour l’enseignant : Origine du plastique4 : Il y a des millions d’années le plancton peuplait les larges océans. Le plancton mort tombé dans les fonds marins fut recouvert par des couches de sédiments. Alors que les sédiments s’enfonçèrent de plus en plus, la température et pression augmentèrent, ce qui transforma les restes de plancton en pétrole et gaz naturel (principalement en méthane et éthane). La production de plastique commence par un processus de distillation. Dans une raffinerie, le fuel (crude oil) est séparé en différentes fractions. Le fuel est chauffé et transformé en gaz qui entre dans un grande colonne. Alors que le gaz se refroidit, les différentes fractions qui ont chacune une température propre d’ébullition se recondensent en différents liquides. Chaque fraction est un mélange de chaînes d’hydrocarbones qui varient par la dimension et la structure de leurs molécules. Une de ces fractions, le naphte est un élément crucial pour la production de plastique. Un processus de séparation thermique appelé « cracking » brise le naphte en différentes molécules d’hydrocarbones telles que l’éthylène, le propylène et le butylène. Des molécules d’hydrocarbones comme l’éthylène et le propylène sont à la base de la production du plastique. Dans une réaction chimique appelée polymérisation, un grand nombre de molécules individuelles sont soudées afin de former des chaînes de polymères. Les différents plastiques sont formés de différentes structures de chaînes de polymères qui déterminent de nombreuses propriétés physiques. 2. Avez-vous des objets en matière plastique avec vous et quels sont-ils ? D’après vous, quelle est la durée de vie moyenne des matières plastiques ? Réponse : 4 Plastic manufactured http://www.apme.org/dashboard.asp 9
  • 10. Plusieurs centaines d’années pour tous les objets en matière plastique. Enterrée, une bouteille en plastique pourrait durer plusieurs siècles. 3. Qu’est-ce que le plastique, de quels éléments chimiques sont-ils majoritairement constitués ? Réponse : Les matières plastiques sont des matériaux organiques5 ; ils contiennent donc toujours l’élément carbone et, presque toujours l’élément hydrogène. Ils comportent aussi souvent les éléments oxygène , azote, chlore et fluor. Le mot « plastique » suggère un seul matériau, il existe en fait plusieurs centaines de polymères plastiques. 4. Si vous deviez représenter la structure d’une matière plastique, comment la dessineriez- vous ? Réponse : Les matières plastiques sont formées de macromolécules6 de masses molaires comprises entre 15 000 et 180 000 g. /mole. Ces macromolécules sont constituées par la répétition d’une petite unité structurale, appelée motif ou monomère. On appelle degré de polymérisation ou indice de polymérisation le nombre moyen de motifs que comporte un polymère. Les monomères sont toujours des composés insaturés comportant au moins une double liaison C=C. Lors de la polymérisation7 , il y a ouverture des doubles liaisons et formation de liaisons simples C-C entre les atomes de carbone qui passent ainsi d’une structure trigonale à une structure tétragonale. 5. D’après vous, tous les plastiques réagissent-ils de la même façon à la chaleur ? Comment expliquer ce phénomène ? Réponse : Voir mode opératoire : expérience sur le triage (test à la flamme). 6. Sachant qu’il existe différents types de plastiques (PVC, PP,…) et que certains sont plus légers que d’autres, quelle expérience envisageriez-vous pour parvenir à les différencier ? Réponse : Voir mode opératoire : expérience sur le triage (test de densité)8 . Nettement moins denses que les métaux, les plastiques ont des densités voisines de celle de l’eau (0.9 à 1.4 mg/l). 7. A votre avis, par quel procédé obtient-on une bouteille en plastique ? Comment est-elle « fabriquée »? 5 Physique Chimie 2de coll. Durandeau-Durupthy, Hachette éducation Paris, 1993, p370 6 idem 7 idem 8 Physique Chimie 2de coll. Durandeau-Durupthy, Hachette éducation Paris, 1993, p. 369. 10
  • 11. Réponse : Extrusion-soufflage9 : Un moule creux se referme sur une section d’un tube de matière chaude et le coupe. De l’air sous pression est alors insufflé dans le tube encore chaud, lui faisant épouser les parois d’un moule. Informations supplémentaires pour l’enseignant : Quelques techniques de transformation des matières plastiques…ou plasturgie. Extrusion : La matière entre dans un cylindre chauffé au milieu duquel tourne une vis sans fin qui l’homogénéise et la conduit dans une filière pour lui donner sa forme définitive. Elle est alors refroidie par une circulation d’eau. Exemple : tuyaux d’arrosage, isolation des fils électriques,… Injection : Cette technique est analogue à l’extrusion mais la matière ramollie accumulée devant la vis est poussée dans un moule qui va ensuite s’ouvrir et éjecter la pièce. Exemple : semelles de chaussures, capots pour écrans d’ordinateur,… Calandrage : On chauffe et on malaxe un mélange de PVC pour en faire une pâte visqueuse. Passant entre plusieurs cylindres, cette pâte est transformée en une feuille continue qui est refroidie puis enroulée. Exemple : emballages alimentaires, industriels et pharmaceutiques,… 8. Pour quelle raison la commune oblige-t-elle les citoyens consommateurs à acheter des sacs poubelles bleus ? Réponse : Pour la récolte des différents plastiques, pour le recyclage10 ,11 . V. Modes opératoires (Kit plastiques©, FECHIPLAST) 1) Trier les matières plastiques. A. Comportement des polymères vis-à-vis de la chaleur : Objectifs de la manipulation : 9 Le consommateur et l’environnement. Les emballages plastiques. La chimie au quotidien, Laszlo Hevesi, cours interfacultaire, 1999-2000 (FUNDP) 10 Le cycle de vie de la bouteille en PET http://www.restena.lu/aneil/bulli3_97/pet.html 11 Le consommateur et l’environnement. Les emballages plastiques. La chimie au quotidien, Laszlo Hevesi, cours interfacultaire, 1999-2000 (FUNDP) 11
  • 12. Distinguer les matières plastiques ; les thermoplastiques et les thermodurcissables12 sur base de leur comportement à la chaleur. Partie 1 : Matériel et produits : • berlin de 500 ml • baguette en verre • plaque chauffante • matières plastiques diverses • eau Sécurité : Faire attention de ne se pas se brûler avec la plaque chauffante. Mode opératoire : • Remplir au 3/4 un berlin de 500 ml avec de l’eau • Chauffer l’eau à l’aide d’une plaque chauffante • Prendre des déchets plastiques venant d’une poubelle bleue et les trier selon leur numéro ou leur symbole • Couper ces déchets en morceaux • Une fois que l’eau est chaude, introduire les morceaux de plastique dans le berlin Observations : Une partie des morceaux de plastique ont tendance à se déformer, ramollir, voir même fondre. Alors que d’autres morceaux de plastique ne changent pas de forme, ils restent durs même sous l’action de la chaleur. Partie 2 : Matériel et produits : • bec bunsen 12 Physique Chimie 2de, coll. Durandeau-Durupthy Hachette éducation, Paris, 1993, p.374 12
  • 13. • pince en bois • petit pot gervais • prise de courant Sécurité : Faire attention de ne pas se brûler avec le bec bunsen. Mode opératoire : • Régler le bec bunsen (flamme faible) • Placer le petit pot gervais au sommet de la flamme sans le faire brûler • Placer la prise de courant au sommet de la flamme Observations : Le petit pot gervais s’aplatit alors que la prise de courant reste tel quel. Interprétation : • Les thermoplastiques peuvent être modulés et remodelés sous l’action de la chaleur. Les chaînes constituant ces polymères sont reliées entre elles par des forces de cohésion assez faibles. Lorsqu’on élève la température, l’agitation thermique des molécules devient plus importante que les forces de cohésion, les chaînes peuvent alors se déplacer les unes par rapport aux autres. Ces chaînes se réarrangent différemment pour donner une autre forme globale. Après refroidissement, le polymère thermoplastique garde sa nouvelle forme. Ex : bouteilles d’eau, sacs plastiques, pots de produit laitier, … • Les thermodurcissables, quant à eux, se durcissent sous l’action de la chaleur. Ils ne peuvent pas être remodelés. L’augmentation de température entraîne la formation de liaisons covalentes entre les chaînes de polymères d’où l’obtention de structures réticulées à mailles serrées. On obtient donc un polymère rigide par cette modification chimique irréversible. Ce polymère ne pourra plus être ramolli sous l’action de la chaleur. Ces polymères doivent donc être moulés lors de leur formation. Ex : prises de courant Remarques : 13
  • 14. • Il existe une troisième catégorie de plastiques : les élastomères. Ceux-ci peuvent subir une déformation à froid sous l’action d’une contrainte mécanique et retrouvent leur forme dès que la contrainte cesse. Ex : les pneumatiques sont constitués d’élastomères synthétiques. • Le petit pot gervais possède une mémoire thermoplastique13 c-à-d que celui-ci va reprendre sa forme initiale par chauffage. La mémoire thermoplastique est une propriété des polymères thermoplastiques mis en forme par thermoformage c-à-d, moulage d’une plaque rigide ramollie par chauffage puis pressée contre les parois refroidies d’un moule pour obtenir un corps creux. B. Identification des thermoplastiques par la flamme, la fumée, l’odeur. Objectifs de la manipulation : Distinguer différents thermoplastiques dont le polystyrène (PS), le polyéthylène haute densité (PEHD), le polypropylène (PP), le polychlorure de vinyle (PVC) et le polyéthylène téréphtalate(PET). Matériel et produits : • une languette de PS • une languette de PEHD • une languette de PP • une languette de PVC • une languette de PET • bec bunsen • pince en boi Sécurité : Au moment de sentir l’odeur de la fumée, ne pas approcher la languette trop près du nez. Faire attention aux risques de brûlures par le bec bunsen et par les gouttes enflammées des thermoplastiques. Mode opératoire : • Allumer le bec bunsen • Prendre une languette à l’aide d’une pince 13 Physique Chimie coll. Durandeau-Durupthy, Hachette éducation, Paris, 1993, p.370 14
  • 15. • Amener la languette au-dessus de la flamme • Retirer la languette de la flamme • Observer la flamme et la fumée • Sentir l’odeur de la fumée • Identifier les languettes avec la carte d’identité Observations : • Pour le PS14 : - Continue à brûler en dehors de la flamme. - La flamme est jaune. - La fumée dégagée est noire. - On a la formation de gouttes enflammées. - Une odeur de gaz se dégage. • Pour le PEHD : - Continue à brûler en dehors de la flamme. - La flamme est jaune à base bleue. - Peu de fumée noire se dégage. - On a la formation de gouttes enflammées. - Une odeur de bougie se dégage. • Pour le PP : - Continue à brûler en dehors de la flamme. - La flamme est jaune à base bleue. - Peu de fumée noire se dégage. - On a la formation de gouttes enflammées. - Une odeur d’asphalte se dégage • Pour le PVC : - S’éteint en dehors de la flamme. - La flamme est jaune. - La fumée dégagée est blanche. - Une odeur d’HCl se dégage. • Pour le PET : - Difficile à enflammer, s’éteint en dehors de la flamme. - La flamme est jaune-orange. - La fumée dégagée est blanche. 14 Pour en savoir plus sur les polymères commerciaux Fechiplast fiche 14 15
  • 16. - Une odeur de fleur de souci se dégage. C. Identification des thermoplastiques par le test de densité. Objectifs de la manipulation : Distinguer les différents thermoplastiques dont le polystyrène (PS), le polyéthylène haute densité (PEHD), le polypropylène (PP), le polychlorure de vinyle (PVC) et le polyéthylènetéréphtalate(PET). Matériel et produits : • une languette de PS • une languette de PEHD • une languette de PP • une languette de PVC • une languette de PET • un berlin de 2 litres • détergent • sel • eau • baguette en verre Sécurité : Eviter tout contact du détergent avec yeux. Si contact, rincer abondamment avec de l’eau. Mode opératoire : • Remplir le berlin d’eau • Ajouter quelques gouttes de détergent • Ajouter du sel • Plonger les 5 languettes dans le berlin Observations : 16
  • 17. Les languettes se placent à des hauteurs différentes dans le berlin. Du bas vers le haut, l’ordre des languettes est le suivant : 1) languette incolore (PET) 2) languette grise (PVC) 3) languette blanche (PS) 4) languette noire (PEHD) 5) languette beige (PP) Interprétation : Les plaquettes ayant des densités15 ,16 différentes, elles vont se répartir à des hauteurs différentes dans la solution. Les différences de hauteur sont très faibles car les densités sont proches les unes des autres. Du bas vers le haut on trouve : PET, PVC, PS, PEHD, PP. Les densités correspondantes sont les suivantes : 1.35 g/ml, 1.19-1.38 g/ml, 1.05 g/ml, 0.94-0.965 g/ml et 0.902-0.907 g/ml. En conclusion, plus la densité est élevée, plus la languette sera dans le fond du récipient contenant la solution. Remarques : - L’ajout de détergent sert à retirer la couche protectrice se trouvant sur les languettes. - L’ajout de sel sert à augmenter la densité de l’eau pour obtenir une meilleure séparation des languettes (deau sans sel = 1 g/ml). 15 Physique Chimie coll.Durandeau-Durupthy, Hachette éducation,Paris,1993, p.369. 16 idem, p.375 17
  • 18. 2) Transformer les matières plastiques A. Propriétés de certains thermoplastiques. Partie 1 : Polystyrène expansé Objectifs de la manipulation : Montrer que l’on peut obtenir des objets aux formes particulières à partir de la propriété d’expansion de billes de polystyrène. Matériel et produits : • berlin de 200 ml • plaque chauffante • cuillère à soupe • boule à thé ou œuf kinder percé de trous • eau • billes de polystyrène Sécurité : Eviter les brûlures avec la plaque chauffante. Faire attention au dégagement de pentane qui forme un mélange explosif avec l’air . Mode opératoire : • Remplir un berlin d’eau et faire bouillir celle-ci • Remplir une boule à thé ou un œuf kinder à moitié avec des billes de polystyrène • Mettre boule ou œuf dans l’eau chaude pendant 5 minutes • Retirer la boule ou l’œuf et mettre sous l’eau courante • Ouvrir la boule ou l’œuf et récupérer l’objet préparé Observations : On constate que le polystyrène occupe tout le volume de l’œuf « kinder surprise » (ou de la boule à thé) après expansion. 18
  • 19. Interprétation : Les billes de polystyrène sont imprégnées de pentane. Lorsque ces billes sont plongées dans une eau entre 80 et 100°C, le polymère ramollit et le pentane se vaporise d’où les billes de PS vont gonfler jusqu’à multiplier leur volume par 50. Les billes en expansion vont occuper tout le volume disponible. Le PS ramollit au contact avec l’œuf « kinder surprise » déterminera la forme finale. Partie 2 : Polymère superabsorbant Objectifs de la manipulation : Montrer que l’on peut piéger rapidement une grande quantité d’eau au moyen d’un polymère superabsorbant (polyacrylate de sodium). Matériel et produits : • berlin de 200ml • eau • polymère superabsorbant • cuillère à soupe • sel Sécurité : Eviter tout contact du polymère superabsorbant avec les yeux. Mode opératoire : • Mettre une cuillère à soupe de polymère superabsorbant dans un berlin de 200 ml • Ajouter un peu d’eau • Retourner le berlin sur la table • Observer • Ajouter du sel (5g par 5g)17 • Observer Observations : 17 Physique Chimie coll. Durandeau-Durupthy , Hachette éducation, Paris p.375 19
  • 20. Le superabsorbant18 sert à capter l’eau formant une espèce de gel. En retournant le berlin, on remarque que l’eau est maintenue à l’intérieur grâce au superabsorbant. Après ajout de sel, le gel se liquéfie. Interprétation : • Le superabsorbant est utilisé pour sa propriété spécifique : « la rétention ». Le superabsorbant possède des chaînes macromoléculaires. Quand ce polymère est en contact avec une solution aqueuse, celle-ci va solvater les groupements polyacrylates se trouvant sur ces chaînes. Les chaînes sont alors chargées négativement et vont se repousser, ce qui crée une extension du polymère. Les molécules d’eau sont retenues dans ce réseau grâce à des liaisons hydrogène. • Lorsqu’on ajoute du sel dans le gel, celui-ci étant un électrolyte fort, il va se dissocier en ions Na+ et Cl- , ces ions seront solvatés par l’eau piégée par le polymère. Il y a compétition entre les interactions eau/polymère et eau/ions Na+ et Cl- . Plus la quantité de sel augmente, plus on supprime les liaisons eau/polymère et on obtient un milieu fluide. B. Transformation des matières plastiques. (Section plasturgie de l’Athénée Royale de Ciney) Objectifs de la manipulation : Mettre en évidence l’importance du plastique dans la vie de tous les jours et les techniques utilisées pour sa transformation19 . Matériel et produits : Machines venant de l’Athénée de Ciney. Sécurité : 18 Comportement des polymères vis à vis de la chaleur. Fechiplast fiche n10. 19 http://www.laplasturgie.fr/plast/histoire.php3 20
  • 21. Ne pas utiliser les machines tout seul, avoir un responsable à côté. Mode opératoire : Regarder le fonctionnement des machines et réaliser une opération de transformation du plastique Observations : Les matières plastiques peuvent être transformées en objets utiles à la vie quotidienne. Interprétation : Thermoformage 20 ,21 : La feuille de plastique est ramollie par chauffage. Ensuite, une forme percée de trous monte et aspire l’air pour que le plastique colle parfaitement la forme. Puis, de l’air fait décoller le plastique. La forme redescend et on extrait la feuille de plastique moulée. (Soudure , pliage ) 3) Imaginer une « stratégie de contrôle » des matières plastiques (Recyclage) Objectifs de la manipulation : Faire prendre conscience que le recyclage est la meilleure solution pour que le plastique ne se retrouve pas dans la nature… mais qu’il peut être réutilisé. Matériel et produits : • Plusieurs morceaux de thermoplastiques 20 Physique Chimie 2de coll. Durandeau-Durupthy Hachette éducation, Paris,1993, p.370. 21 Le consommateur et l’environnement. Les emballages plastiques. La chimie au quotidien, Laszlo Hevesi, cours interfacultaire, 1999-2000 (FUNDP) 21
  • 22. • Baguette en verre • Berlin de 100 ml • Plaque chauffante • Moule Sécurité : Eviter les brûlures avec la plaque chauffante et le plastique fondu. Mode opératoire : • Trier les thermoplastiques et les thermodurcissables • Couper les thermoplastiques en morceaux • Allumer la plaque chauffante • Mettre les morceaux de plastiques dans le berlin • Mélanger avec une baquette en verre • Quand le plastique est assez ramollit, placer le dans le moule • Laisser refroidir et retirer le plastique Observations : Après refroidissement, le plastique fondu gardera la forme du moule. Interprétation : Les thermoplastiques se ramollissent à la chaleur (voir manipulation 1 : dépolymérisation) et sont de ce fait, modulables. Après refroidissement, les thermoplastiques durcissent (se repolymérisent) et gardent la forme qu’on désire leur donner. 22
  • 23. VI. Réponse à la question-problème a. Trier les matières plastiques les plus courantes. Le recyclage des matières plastiques les plus courantes se fait principalement par recyclage mécanique . Une première étape de triage (figure 1, Solvay) permet, à partir de tous déchets plastiques de :  Extraire les métaux métalliques.  Extraire les métaux non métalliques (film aluminium de bouteille de lait, bouchon, …).  Nettoyer les parties non utilisables tels que papiers (étiquettes, fibres, poussières, ….  Nettoyer (stripper) à la vapeur par un fluide des odeurs de lait, de savon, volatiles (réservoir de voitures).  Déchiqueter les matériaux pour les grosses pièces (réservoir de voitures, pièces d’ordinateur, …) par prébroyage.  Briser les matériaux en diverses étapes avec de l’eau et séchage.  Une séparation des divers polymères de synthèse selon leur densité (cf test de densité)  Réduire les polymères en granules, poudre…pour leur réutilisation. Remarque : Le recyclage peut aussi se faire par recyclage chimique (« feed stock ») : par voie thermique (expérience possible avec des déchets de plexiglas chauffés dans une éprouvette et récoltés dans de l’eau froide), on chauffe et on casse les liaisons des macromolécules. En fait, une dépolymérisation permet d’obtenir les monomères ou encore plus simple les carbones C=C et la chaîne pendante. 2) Apprendre à transformer les matières plastiques.  A partir de polystyrène expansé (lui-même obtenu à partir de styrène), le pentane va passer à l’état gazeux et va faire gonfler le polystyrène (expérience faite au laboratoire). Exemple : boules de décoration.  La plasturgie est un vivant exemple de transformation des matières plastiques. Exemples : thermoformage, pliage, soudure.  Avec du plastique recyclé (souvent sous forme de granules), une multitude de réutilisation des matières plastiques existent. 23
  • 24. Exemple : vêtements (à partir de 7 bouteilles en PVC), poteaux de signalisation routière, … 3) Imaginer une « stratégie de contrôle » pour maîtriser les matières plastiques.22  Valorisation matière. La valorisation de la matière consiste à transformer un objet plastique en un autre objet plastique. Ainsi, les thermoplastiques, après tri et lavage, sont fondus et remis en forme pour une nouvelle utilisation et les thermodurcissables, après broyage, sont utilisés comme charge dans de nouveaux plastiques . Une charge est un adjuvant destiné à faciliter la mise en œuvre des plastiques, à améliorer certaines caractéristiques physiques ou chimiques et/ou à diminuer le prix de revient des plastiques.  Valorisation chimique La valorisation chimique consiste à transformer un objet plastique en monomères, en combustibles, ou en gaz réutilisables. Le recyclage chimique est en phase de développement et vise à produire une tonne de produits réutilisables par tonne de plastique.  Valorisation énergétique La valorisation énergétique consiste à brûler un objet plastique usager dans un incinérateur avec récupération d’énergie. Les matières plastiques ont un pouvoir calorifique à peu près égal à celui du gazole. La chaleur libérée sert d’une part à produire de l’électricité (5% de la consommation actuelle d’électricité à Bruxelles est produite de cette manière) et d’autre part à chauffer certaines installations d’usines ou d’habitations. VII. Bibliographie 22 Le consommateur et l’environnement. Les emballages plastiques. La chimie au quotidien, Laszlo Hevesi, cours interfacultaire, 1999-2000 (FUNDP) 24
  • 25. Manuels scolaires : • Physique Chimie, 2e, Ed. Nathan p.317- 328, 1997 • Chimie, 2e, Ed. Natan p. 202- 213, 1993 • Physique Chimie, 2de, coll. Durandeau-Durupthy, Hachette éducation, Paris, p.367- 378, 1993 • Sciences Physiques, 3e, coll. Durandeau-Durupthy, Hachette éducation, Paris p.160- 162, 1994 • Physique Chimie, 3e, Ed. Nathan p.157-162, 1994 Articles : • Le consommateur et l’environnement. Les emballages plastiques. La chimie au quotidien, Laszlo Hevesi, cours interfacultaire, 1999-2000 (FUNDP) • Polymères biodégradables ou quand le plastique retourne à la poussière, Pr. Dubois P., ICAFOC. Journées de recyclage Chimie verte U.C.L. 21-23 janv., p. 1-19, 2002 Sites URL : • http://www.laplasturgie.fr/plast/environnement.php3 La plasturgie • http://www.agers.cfwb.be/pedag/recheduc/4097-98/techno/3-plastique Recyclage des matières plastiques : outil pour un module d’enseignement. • http://www.ecopse. fr/html/fichtech.html Fiche technique sur le polystyrène expansé (PSE) et environnement. • http://www.restena.lu/bulli3 97/pet.htm Cycle de vie d’une bouteille en PET. • http://www.apme.org/dashboard.asp Origine du plastique. Outil pédagogique : • Expériences sur les polymères (Le Kit plastiques©- Valise de démonstration) Fechiplast, 1998 Adresses utiles : 25
  • 26. • Athénée Royal du Condroz « Jules Delot » Section Plasturgie Mr Lemaire Square Omer Bertrand,1 5590 Ciney 083/211512 • Solvay Research and Technology Rue de Ransbeek, 310 1120 Bruxelles Visites : Nederover- Hembeek Mme Demeyer C. 02/2642489 ou 02/2642111 Informations : Mr Yernaux 02/2642826 26
  • 27. Table des matières I. Situation – Problème p1 II. Concepts en jeu p4 III. Lien avec le programme p4 IV. Déroulement p5 1) Introduction du thème P5 A. Questions avec hypothèses de réponses p5 B. Missions à remplir p6 2) Organisation p7 3) Timing p7 V. Questionnaire : recueil de représentations p7 VI. Modes opératoires p11 1) Trier les matières plastiques p11 A. Comportement à la chaleur p11 B. Identification à la flamme,fumée,odeur p13 C. Test de densité p15 2) Transformer les matières plastiques p17 A. Propriétés de certains thermoplastiques p17 B. Transformation des matières plastiques p19 3) « stratégie de contrôle » (recyclage) p20 VII. Réponse à la question-problème p22 VIII. Bibliographie p24 Adresses utiles p25 27
  • 28. 28