Retracer l'histoire des matériaux polymères :1ère partie

Les explorateurs européens voyageant dans les Caraïbes et en Méso-Amérique aux XVIe et XVIIe siècles ont découvert des civilisations qui utilisaient ce matériau pour fabriquer des boules solides ainsi que pour fabriquer des tissus imperméables. L'existence d'un ballon solide fait d'un matériau avec ce que l'on appellerait aujourd'hui des propriétés élastomères fut une révélation pour les peuples du nord de l'Europe qui n'avaient connu que des ballons constitués d'une vessie de cuir gonflée. C'est l'isomère cis qui a produit tous ces produits. Nous arriverons bientôt à l'isomère trans.

Un explorateur français a rencontré un matériau similaire lors de son voyage au Pérou dans les années 1730 et, en 1751, le premier article scientifique sur ce nouveau matériau avait été présenté. Mais à ce stade, la chimie du matériau n'était pas bien comprise. En particulier, l'effet de la température sur les propriétés du matériau a créé des barrières à l'utilisation commerciale en Europe. Contrairement aux climats de la Méso-Amérique, où les fluctuations de température à une altitude donnée étaient relativement faibles, les changements de température en Europe de l'hiver à l'été étaient plus importants. À des températures froides, le matériau devenait dur et cassant tandis que les températures chaudes de l'été rendaient le matériau très mou et collant. L'utilisation la plus créative du produit dans la dernière partie du 18 ^e siècle était comme une gomme à effacer des marques de crayon de papier. Le nom caoutchouc vient de cette qualité particulière.

Les progrès dans cette ère de la chimie étaient en grande partie une question de découvertes accidentelles résultant d'essais et d'erreurs. En 1820, deux hommes d'affaires dans des domaines très différents ont découvert indépendamment par de tels accidents que le polyisoprène était soluble dans le naphta et la térébenthine. Le caoutchouc dissous pouvait ensuite être appliqué sur du coton pour fabriquer des vêtements imperméables. Cela a bien fonctionné tant que le temps ne devenait pas trop chaud. Lorsque c'était le cas, les tissus enduits devenaient collants et perdaient leur forme.

Les limites de température pour l'utilisation du polyisoprène ont continué d'être un problème jusqu'aux années 1830 et 40, lorsque Charles Goodyear, utilisant des méthodes expérimentales tout aussi aléatoires que celles de ses prédécesseurs, est tombé sur deux techniques qui résolvaient d'abord les problèmes de performance à haute température et puis, trois ans plus tard, le procédé plus connu de vulcanisation qui améliore les propriétés du matériau à basse température. Goodyear n'avait aucune compréhension de la chimie derrière le processus de réticulation qui a considérablement amélioré les performances du matériau. Même le terme vulcanisation a été inventé par un concurrent britannique qui a compris l'approche de Goodyear et a déposé des brevets en Angleterre alors que Goodyear déposait aux États-Unis.

Le compoundage du caoutchouc, la modification des propriétés du matériau par l'ajout de plastifiants et de charges, était encore loin des décennies. Mais les fondations du monde des polymères étaient posées. Fait intéressant, les autochtones de la Méso-Amérique avaient appris à stabiliser les propriétés du caoutchouc des centaines d'années plus tôt en fumant le latex brut, introduisant vraisemblablement de manière moins contrôlée mais tout aussi efficace les nitrates et les composés soufrés nécessaires pour réticuler le matériau.

Au même moment où les affaires judiciaires entre Goodyear et ses homologues britanniques faisaient rage dans les années 1850, un chirurgien britannique exerçant en Asie du Sud-Est a observé les peuples autochtones de cette partie du monde extraire la sève de l'un des arbres qui poussaient dans cette partie de le monde. Ils ont ramolli le matériau dans de l'eau chaude et l'ont moulé en une variété de produits utiles tels que des manches d'outils et des cannes. Nommé gutta percha d'après l'espèce d'arbre qui a produit la sève, c'est chimiquement l'isomère trans du polyisoprène.

Il s'agit d'une illustration précoce et excellente de l'importance de l'isomérie dans la détermination des propriétés des polymères, un principe que nous utilisons abondamment dans la chimie moderne des polymères. L'isomère cis est amorphe et très sensible aux changements de température. Cela rend la réticulation nécessaire pour que le matériau soit utile. L'isomère trans est capable de cristalliser. Par conséquent, bien qu'il ait la même température de transition vitreuse subambiante que l'isomère cis, il possède des propriétés solides utiles au-dessus de la température ambiante.

Alors que la gutta percha était un autre matériau connu et utilisé par les cultures indigènes depuis des centaines d'années, entre les mains des Européens les plus axés sur les objectifs, elle a rapidement été adoptée comme matériau isolant pour les fils télégraphiques sous-marins. A cet égard, il a montré quelques similitudes mais aussi quelques différences importantes avec le caoutchouc à isomère cis. La structure non polaire des deux matériaux en fait de bons isolants électriques. Mais la structure amorphe du caoutchouc, même sous sa forme réticulée, a donné un matériau qui manquait de résistance chimique à l'eau salée. La gutta percha avait les propriétés électriques souhaitables mais en même temps était résistante à l'eau salée ainsi qu'à de nombreux autres produits chimiques. Ce principe d'amélioration de la résistance chimique issue de la cristallinité est également bien connu dans le monde des polymères, et il a permis de nouvelles applications très tôt dans l'histoire de notre industrie.

Cela met également en lumière un autre aspect très important associé à l'utilisation des matériaux :la relation entre le développement de nouvelles chimies et l'invention de méthodes de traitement. Alors que ce matériau était utilisé pour enrober les fils électriques, la possibilité de le faire a été rendue possible par une invention très importante :l'extrudeuse.

Dans notre prochain article, nous continuerons le récit de nos progrès vers Celluloid et son intersection avec un autre développement très important dans le traitement.

À PROPOS DE L'AUTEUR :Mike Sepe est un consultant mondial indépendant en matériaux et en traitement dont la société, Michael P. Sepe, LLC, est basée à Sedona, en Arizona. Il a plus de 40 ans d'expérience dans l'industrie des plastiques et assiste ses clients dans la sélection des matériaux, la conception pour la fabrication, le processus optimisation, dépannage et analyse des pannes. Contact :(928) 203-0408 • [email protected].