Le monde moderne repose sur une myriade de matériaux aux propriétés exceptionnelles, façonnant notre environnement quotidien et ouvrant la voie à des innovations technologiques constantes. Parmi ces matériaux, les polymères occupent une place prépondérante, et deux d'entre eux, le polyuréthane et le nylon, se distinguent par leur polyvalence et leurs applications étendues. Bien que souvent utilisés dans des contextes industriels distincts, leur étude conjointe permet de mieux appréhender la science des matériaux et les avancées qui en découlent. Le nylon, premier fil dit synthétique, a été inventé et breveté en 1935 par Wallace Carothers. Le polyuréthane, quant à lui, a vu son utilisation révolutionner divers secteurs, notamment dans les années 1970 avec l'application dans les roues, marquant un tournant pour les sports sur roulettes.
L'Histoire et la Nature Chimique du Nylon
L'histoire du nylon est intrinsèquement liée à l'innovation scientifique du XXe siècle. Avant le nylon proprement dit, d'autres nouveaux produits voyaient le jour, tels que la viscose, inventée par Hilaire de Chardonnet en 1884, et l'acétate de cellulose, développé par l'Anglais Edward J. Durant cette période, la recherche de matériaux synthétiques performants était en plein essor. Le nylon fut breveté, mais le terme « nylon » n'a jamais été déposé en tant que marque, ce qui explique qu'il ne s'écrive pas avec une majuscule. DuPont, comme cette société le rappelle sur son site web, a ainsi choisi de permettre au mot de devenir synonyme de bas (nylon).
Le produit découvert fut commercialisé pour la première fois en 1938 sous la forme d'une brosse à dents dont les poils étaient en nylon. La même année, le 24 février, sortait un autre produit en nylon. Mais c'est en 1940 que le produit qui allait marquer l'histoire du nylon fit son apparition : les bas pour femme. L'origine du mot « nylon » a donné lieu à de nombreuses étymologies fantaisistes, comme celles affirmant qu'il provient de « NY » (New York) et « LON » (London), ou encore des prénoms des épouses des inventeurs. En réalité, en 1938, un comité de trois membres de chez DuPont de Nemours et compagnie fut chargé de trouver un nom. Le Dr E.K. Gladding proposa « norun » (pour « no run », signifiant « ne s'effile pas »). Pour éviter un risque de publicité mensongère, le terme fut changé en « Nuron », qui rimait avec « rayon » ou « coton ». Le choix final se porta sur « nylon » afin d'obtenir un acronyme prononcé de la même façon par les Américains et les Anglais.
Chimiquement, le nylon est un polymère de condensation, constitué d'unités répétitives liées entre elles par des liaisons amide. Il fait donc partie de la famille des polyamides. Le nylon 6-6, par exemple, est formé par la réaction entre l'hexaméthylènediamine et le chlorure d'adipoyle, ClOC-(CH2)4-COCl, composé de quatre groupes méthylène et de deux fonctions chlorure d'acyle. Le nylon ainsi formé est appelé nylon 6-6 car de part et d'autre du groupe amide se trouvent six atomes de carbone (dont l'un est compris dans la fonction amide). Outre ses applications dans l'industrie textile, ce matériau est également utilisé sous forme massive pour réaliser des pièces mécaniques, en particulier dans l'industrie automobile. Il peut être moulé à chaud (il fait partie des polymères thermoplastiques) ou usiné à partir de demi-produits disponibles dans le commerce tels que barres et plaques.
Le matériau se caractérise par sa dureté. Son faible pouvoir absorbant en fait un tissu qui sèche rapidement, fréquemment utilisé pour les coupe-vents. En revanche, comme il n'absorbe pas la transpiration, le nylon peut donner l'impression de macérer dans sa sueur et développe plus rapidement des odeurs que le coton.
Le Polyuréthane : Un Polymère aux Multiples Facettes
Le polyuréthane est un matériau d'une remarquable adaptabilité, capable d'être fabriqué avec une grande variété de textures et de duretés. Ceci est rendu possible en variant les monomères utilisés et en ajoutant d'autres substances. Les polyuréthanes trouvent ainsi leur place dans une multitude d'applications : colles, peintures, élastomères (« caoutchoucs »), mousses et fibres.
La synthèse des polyuréthanes repose sur un mécanisme de polymérisation par étapes. Ce processus se distingue de la polymérisation en chaîne par un mécanisme d'étapes indépendantes. Il repose sur la réactivité de groupes fonctionnels qui réagissent ensemble pour former un nouveau groupe liant chimiquement les deux bouts de chaînes. L'élément le plus important du procédé de polyaddition des diisocyanates est leur réaction sur les composés polyhydroxylés, car les groupes uréthane ainsi formés (groupe ester de l'acide carbamique) sont stables. Dans les débuts de la production de polyuréthanes, on utilisait des diols de faible masse molaire, comme le butanediol, qui, par polyaddition avec le diisocyanate d'hexaméthylène (HDI), conduisait à des polyuréthanes linéaires (fibres polyuréthanes). Dans les polyuréthanes actuels, le groupe uréthane sert principalement de jonction entre les chaînes macromoléculaires. Ce groupe présente une stabilité et une rigidité exceptionnelles, son énergie de cohésion dépassant même légèrement celle de la fonction amide.
Les Mousses de Polyuréthane : Isolation et Polyvalence
Les mousses de polyuréthane sont largement utilisées pour leurs qualités d'isolation thermique. Rigides ou souples, de haute ou basse densité, expansibles ou non, elles sont facilement renforcables avec la quasi-totalité des fibres naturelles ou synthétiques du marché (sauf le PP). Le moussage est réalisé en continu entre deux parements. L'expansion de la mousse s'effectue jusqu'à obtention de l'épaisseur désirée. Les plaques ainsi obtenues, après passage dans un tunnel chauffant, sont stabilisées et usinées. En fonction de la nature des parements, du gaz d'expansion et de la technique de production, les propriétés finales peuvent varier considérablement.
Les mousses flexibles sont particulièrement utilisées dans l'ameublement, pour les assises des sièges et canapés. Les mousses rigides sont intégrées aux murs rideaux ou utilisées comme panneaux d'isolation (panneaux sandwich) dans le bâtiment ou l'électroménager, par exemple dans les parois de réfrigérateurs ou de chambres froides. Sous forme de mousse expansée, les mousses de polyuréthanes offrent une excellente adhérence sur tout support, un bon pouvoir de flottaison, la capacité de remplir les vides quels qu’ils soient et permettent des emballages sur mesure, légers et solides. Les mousses vendues en bombe ont une capacité d'expansion de l'ordre de 50 litres de mousse par litre de produit.
Application de la mousse Polyuréthane
Applications Diversifiées du Polyuréthane
Au-delà des mousses, le polyuréthane est un composant essentiel dans la fabrication de colles, particulièrement pour assembler le bois ou pour le collage des semelles de chaussures. Les polyuréthanes intégrant des ingrédients anti-abrasion sont utilisés dans la fabrication de roues et roulettes extrêmement solides pour les patins à roulettes, planches à roulettes, caddies, etc. Le polyuréthane est également employé dans la fabrication de meubles (coussins, assises de sièges) et pour protéger les bordures des meubles afin d'améliorer la sécurité et la longévité.
Les premiers modèles de combinaisons 100 % polyuréthane, conçus par la marque italienne Jaked, sont apparus en compétition en 2008. D'autres marques comme Adidas, Arena et TYR ont conçu des modèles similaires. Enfilées par les meilleurs nageurs du monde, ces combinaisons ont apporté un gain considérable en termes de performances, comme l'ont illustré les championnats du monde de Rome en 2009. Les qualités d'élasticité, de résistance à l'humidité et ses capacités de flottaison font du polyuréthane un matériau fort utilisé dans l'industrie nautique. Ainsi, certaines planches de surf ou planches à voile sont construites autour d'un noyau de polyuréthane. Les boudins des cerfs-volants utilisés pour le kitesurf sont également fabriqués en polyuréthane.
De nombreux modèles de préservatifs sont fabriqués à partir de polyuréthane. Ce matériau constitue aussi la couche externe de certains pansements. En tant que semi-occlusif, il protège des micro-organismes. On le trouve notamment dans les pansements hydrocolloïdes dont la couche interne est constituée de carboxyméthylcellulose (CMC). Il constitue aussi les pansements films adhésifs transparents utilisés comme pansement primaire, secondaire ou pour la fixation de cathéters.
Le polyuréthane thermoplastique élastomère, connu sous le nom de Lycra (Spandex ou Élasthanne), est créé par DuPont de Nemours. Sa chaîne principale est composée à la fois de groupes uréthane et de groupes urée. L'uréthane entre dans la composition des combinaisons spatiales pour fabriquer la couche pressurisée. Les polyuréthanes sont largement utilisés dans les enduits, laques, peintures et vernis, que ce soit dans le bâtiment, l'ameublement, la construction automobile ou la protection du bois. Les vernis des « peintures métallisées vernies » des automobiles sont des polyuréthanes. Les combinaisons polyhydroxylées avec plus de deux hydroxyles conduisent, avec des polyisocyanates, à des macromolécules rétifiées qui sont très importantes dans le domaine des peintures. De telles combinaisons polyhydroxylées sont faciles à obtenir, par exemple par estérification de diacides avec un excès de polyols.
Propriétés et Comportement Chimique
La réactivité des isocyanates, composants clés dans la synthèse des polyuréthanes, est remarquable. Ils réagissent avec tous les groupes qui disposent d'un atome d'hydrogène mobile, tels que les amines, les alcools, les acides et l'eau. En général, la vitesse de réaction pour l'addition d'un composé avec un groupe isocyanate est déterminée par sa basicité : plus le composé est basique, plus sa vitesse de réaction avec un groupe isocyanate sera importante. Les rapports de vitesse de réaction entre les alcools primaires, secondaires et tertiaires sont approximativement de 1 / 0,3 / 0,05.
Dans un isocyanate RNCO, si R est un groupe donneur d'électrons, il exerce une action désaturante sur le groupe CO, affaiblissant ainsi la réactivité du groupe NCO. Par contre, si R est un groupe aromatique, le doublet de l'azote est attiré dans le noyau aromatique, ce qui augmente la charge positive du carbone. Le TDI (diisocyanate de toluène) couramment utilisé est un mélange des isomères 2-4 et 2-6. Ces mélanges ont moins tendance à cristalliser que les isomères purs. Les polyuréthanes obtenus à partir de ce mélange sont très stables à la lumière solaire (car la chaîne carbonée est saturée), élastiques et résistants à la saponification et à la chaleur. Les systèmes bi-composants, comme certains vernis, ont une durée de vie limitée par le temps de réaction entre leurs deux composants, appelé « pot life ». Ces systèmes comprennent généralement : 1) un vernis contenant des polymères hydroxylés (résine) : cela peut être un fond, un vernis, une laque ou un apprêt. Les propriétés physico-chimiques du film dépendent essentiellement de la nature de la résine et/ou du liant utilisé. 2) un réactif et quelquefois un solvant pour ajuster la viscosité. En jouant sur la nature des parties 1) et 2), on obtient une multitude de combinaisons. La quantité de réactif est ajustée en fonction des performances finales souhaitées.
Isolation Thermique et Masse Volumique
Dans le domaine de l'isolation, les polyuréthanes jouent un rôle crucial. À résistance thermique égale, les épaisseurs des panneaux polyuréthanes sont plus faibles qu'avec d'autres isolants. Pour tenir compte de la diffusion de l'agent gonflant dans le temps, la résistance thermique certifiée par l'ACERMI prend en compte le facteur de vieillissement de la mousse. Avec une masse volumique variant de 28 à 32 kg/m³, les panneaux polyuréthane sont des isolants légers et faciles à manipuler.
Durabilité, Recyclage et Sécurité
L'inconvénient majeur du polyuréthane réside dans le fait qu'étant thermodurcissable, il ne peut pas être recyclé et réutilisé sous une forme identique. Cependant, des entreprises comme Bayer, et d'autres, le réinjectent sous forme pulvérulente dans du produit vierge au moment de l'injection.
La mise en œuvre des mousses polyuréthanes peut entraîner des risques importants. Le diisocyanate de toluène est très toxique par inhalation, réactif, irritant et très volatil. Le diisocyanate de diphénylméthane est considéré comme nocif par inhalation et potentiellement cancérogène. Cependant, une fois totalement polymérisés (après la stratification), les produits finis sont physiologiquement inactifs. Mis en œuvre, les polyuréthanes présentent une toxicité très faible par rapport à de nombreux autres matériaux utilisés pour l'isolation ou le rembourrage des meubles.
Les additifs polybromodiphényléthers (PBDE), réputés toxiques, qui étaient incorporés à ces mousses jusqu'en 2001 pour leurs propriétés ignifuges en cas d'incendie, ne sont plus sur le marché. Parmi les PBDE, seul le décaBDE est une substance reconnue comme sûre, mais elle ne peut pas être incorporée aux mousses de polyuréthane.
Le polyuréthane est un matériau inflammable. Lors de sa combustion, il dégage de nombreux gaz mortels, tels que le cyanure d'hydrogène et le monoxyde de carbone. Au Royaume-Uni, en Irlande et dans certains États des États-Unis, la réglementation impose aux fabricants de meubles rembourrés (canapés, matelas) de traiter les produits avec des additifs chimiques ignifugeants pour réduire ce risque. En France et dans d'autres pays d'Europe continentale, les fabricants de meubles soutiennent les actions d'associations de protection de l'environnement contre les « retardateurs de flammes » et utilisent cet argument pour ne pas employer d'additifs ignifugeants.
De nombreux domaines d'utilisation des mousses de polyuréthane exigent des propriétés « non-feu ». Dans l'automobile, les mousses et complexes doivent être classés selon la norme D45 1333 ou FMVSS 302, exigeant une vitesse de combustibilité inférieure à 100 mm/min. Dans le bâtiment, pour les lieux publics, les mousses doivent être traitées non feu, avec un classement spécifique tel que le classement M1 selon la norme NF P92-501. L'utilisation de cet isolant fait l'objet d'une aggravation du risque incendie pour les assureurs.
En 2014, la France était nette exportatrice de polyuréthane, d'après les douanes françaises.
Le Nylon : Entre Textile et Pièces Mécaniques
Le nylon, quant à lui, bien que célèbre pour son rôle dans l'industrie textile, trouve également des applications dans la fabrication de pièces mécaniques. Sa dureté et sa faible absorption d'eau en font un matériau intéressant pour des applications où la résistance à l'usure et un séchage rapide sont requis.
En résumé, le polyuréthane et le nylon, bien que chimiquement distincts, représentent deux exemples éloquents de la manière dont la science des polymères a transformé notre monde. Leurs propriétés uniques, issues de leurs structures moléculaires et des procédés de fabrication, leur confèrent une polyvalence qui les rend indispensables dans une multitude de secteurs, de l'isolation thermique aux vêtements de sport, en passant par les composants automobiles et les dispositifs médicaux. L'innovation continue dans ce domaine promet de repousser encore davantage les limites de ce que ces matériaux peuvent accomplir.
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