Retracer l'histoire des matériaux polymères, partie 13 : Comment le nylon et les polyestères ont réinventé l'innovation textile

La même vague d'innovation qui a donné naissance au nylon a également stimulé la création de polyestères synthétiques. Dans les années 1930, Julian Hill, membre clé de l'équipe DuPont de Wallace Carothers, a synthétisé les premières fibres de polyester — bien avant le nylon lui-même. Pourtant, dès que les propriétés exceptionnelles du nylon sont apparues, la recherche sur les polyestères a été mise en veille. L'histoire entrelacée du nylon et du polyester se comprend le mieux à travers un examen approfondi de leur chimie.

Les nylons de première génération et les premiers polyestères appartiennent tous deux à la famille des polymères par condensation. Carothers a commencé à explorer ces réactions dès 1926, alors qu'il était encore dans le milieu académique. Grâce aux ressources des laboratoires DuPont, il a rapidement traduit la théorie en pratique. Les polymères par condensation se forment lorsque deux molécules — chacune portant des groupes fonctionnels réactifs aux deux extrémités — réagissent en libérant une petite molécule (souvent de l'eau) et en se développant dans les deux directions, produisant une longue chaîne.

Les esters se forment lorsqu'un alcool réagit avec un acide carboxylique, comme le montre la Figure 1, où l'alcool éthylique et l'acide acétique forment l'acétate d'éthyle. La double liaison carbonyl-oxygène caractéristique définit le groupe fonctionnel ester. Les amides se forment de manière similaire, mais une amine remplace l'alcool. Dans la Figure 2, l'acide propanoïque réagit avec l'urée pour produire du propanamide.

Dans les synthèses d'esters et d'amides typiques, seule une extrémité réactive participe, ce qui termine la réaction. Carothers a découvert que lorsque les deux extrémités d'une molécule portent des groupes réactifs, le processus peut se poursuivre, générant une macromolécule à longue chaîne — un polymère. La Figure 3 illustre ce principe appliqué au nylon 66.

La liaison amide — composée d'un groupe carbonyl (C=O) et d'une liaison N–H — crée un dipôle qui facilite de fortes liaisons hydrogène intermoléculaires. L'oxygène porte une charge partielle négative, tandis que l'hydrogène attaché à l'azote porte une charge partielle positive. Lorsque les chaînes polymères adjacentes s'alignent, ces dipoles s'attirent, conférant au nylon sa haute résistance à la traction et un point de fusion de 260 °C (500 °F). Ce réseau de liaisons hydrogène est la pierre angulaire de la performance mécanique supérieure du nylon.

En revanche, les liaisons ester manquent du composant N–H, elles ne peuvent donc pas former les mêmes liaisons hydrogène robustes. Par conséquent, les polyestères aliphatiques présentent des points de fusion plus bas — généralement autour de 80 °C (176 °F) pour un polymère de poids moléculaire comparable au nylon 66 — et sont plus sensibles à l'hydrolyse. Ces propriétés ne répondaient pas aux objectifs de DuPont pour des fibres haute performance, conduisant l'entreprise à recentrer entièrement ses efforts sur le nylon.

Trois ans plus tard, les chimistes britanniques John Rex Whinfield et James Tennant Dickson ont revisité les données DuPont et identifié un moyen d'améliorer les propriétés du polyester en incorporant des cycles aromatiques. Les structures aromatiques, telles que le benzène ou le xylène, sont planes, rigides et améliorent significativement le comportement thermique et mécanique lorsqu'elles sont intégrées dans une chaîne polymère.

En 1939, Whinfield et Dickson ont combiné l'acide téréphtalique (acide carboxylique aromatique) avec l'éthylène glycol pour produire le premier polyester commercialement viable — le polyéthylène téréphtalate (PET). Avec W.K. Birtwhistle et C.G. Ritchie, ils ont breveté le PET et introduit une fibre sous la marque Terylene, lancée par Imperial Chemical Industries (ICI) en 1941.

Cette percée a inauguré l'ère moderne des fibres de polyester, une histoire que nous continuerons dans le prochain volet.

À propos de l'auteur
Michael Sepe est consultant indépendant en matériaux et procédés, basé à Sedona, Arizona. Fort de plus de 45 ans dans l'industrie des plastiques, il conseille des clients en Amérique du Nord, Europe et Asie sur la sélection des matériaux, la conception pour la fabricabilité, l'optimisation des procédés, le dépannage et l'analyse de défaillance. Contact : (928) 203‑0408 | mike@thematerialanalyst.com