Thème : Les matériaux Chap. 1 Cycle de vie des matériaux

Les matières plastiques 1

Les matières plastiques

Analyse et synthèse de documents : La vie des plastiques

Mots-clefs : Vieillissement, recyclage, élimination

Contexte du sujet :

Recherchés pour leurs propriétés remarquables (légèreté, longue durée de vie, isolant électrique et

thermique, faible dégradabilité, grande diversité d’utilisation), les plastiques sont très largement

utilisés. Malheureusement, certains de ces avantages se transforment en inconvénients quand ces

produits deviennent des déchets.

Quelles sont les principales étapes de la vie d’un objet en plastique ?

Document 1 : Synthèse de quelques plastiques

Document 2 : Recyclage des plastiques

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Document 3 : Vieillissement des plastiques

Document 4 : Elimination des plastiques

Questions : 1. Quel est le principal constituant d’une matière plastique ?

2. Pourquoi parle-t-on de macromolécules à propos des polymères ?

3. A l’aide de vos connaissances personnelles et en analysant la structure du polyéthylène (PE) et du

polyéthylène téréphtalate (PET), préciser la nature des interactions assurant la cohésion, à l’état solide, de ces

deux polymères. Justifier alors que le PET se ramollit à une température supérieure à celle permettant le

ramollissement du PE.

4. Le polyéthylène téréphtalate et les résines glycérophtaliques sont des polyesters. Le justifier.

5. Le polyéthylène téréphtalate est thermoplastique, alors que les résines glycérophtaliques sont

thermodurcissables. En étudiant le motif de chacun de ces polymères, expliquer cette différence de

comportement.

6. Faire une analyse commentée des graphes du doc.2, en particulier l’évolution des données de ces

dernières années.

7. Comment peut se manifester, à l’échelle macroscopique, le vieillissement d’un plastique ?

8. Quelles sont des deux voies les plus utilisées en France pour réutiliser les déchets plastiques ?

9. Donner le nom de la réaction mise en jeu dans les incinérateurs.

10. Ecrire l’équation de combustion complète du polychlorure de vinyle de formule brute C2nH3nCln.

Que peut-on dire, d’un point de vue écologique, de la nature des rejets obtenus ? L’incinération est-elle une

méthode intéressante pour éliminer ce polymère ? Argumenter.

11. BILAN : Faire un schéma légendé présentant le cycle de vie d’un objet thermoplastique, puis d’un objet

thermodurcissable.

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CORRECTION

Questions :

1. Quel est le principal constituant d’une matière plastique ?

Le principal constituant d’une matière plastique est un polymère, c’est à dire une macromolécule

obtenu à partir de la répétition d’un même motif appelé monomère. (doc1)

2. Pourquoi parle-t-on de macromolécules à propos des polymères ?

Les molécules constituant les polymères ont des masses molaires élevées donc on parle de

macromolécules. (doc1)

3. A l’aide de vos connaissances personnelles et en analysant la structure du polyéthylène (PE) et

du polyéthylène téréphtalate (PET), préciser la nature des interactions assurant la cohésion, à l’état

solide, de ces deux polymères. Justifier alors que le PET se ramollit à une température supérieure à

celle permettant le ramollissement du PE.

Le polyéthylène (PE), de formule est apolaire ; la cohésion de ce polymère

est assurée par les interactions de Van der Waals mettant en jeu des dipôles instantanés.

Le polyéthylène téréphtalate (PET), de formule est polaire ; la cohésion

de ce polymère est assurée par les interactions de Van der Waals mettant en jeu des dipôles

permanents.

Les interactions sont plus fortes pour le PET que dans le PE justifiant que le PET se ramollit à une

température supérieure à celle permettant le ramollissement du PE.

4. Le polyéthylène téréphtalate et les résines glycérophtaliques sont des polyesters. Le justifier.

Le polyéthylène téréphtalate et les résines glycérophtaliques résultent de la réaction entre un

polyalcool ou polyol (éthylène glycol ou éthane-1, 2-diol) et un polyacide (acide téréphtalique) donc ce

sont des polyesters ; leur formule présente le groupe – CO – O – C ou , caractéristique

des esters. (Doc 1)

Rappel : Estérification : Alcool + Acide Ester + Eau

Hydrolyse : Ester + Eau Alcool + Acide

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5. Le polyéthylène téréphtalate est thermoplastique, alors que les résines glycérophtaliques

sont thermodurcissables. En étudiant le motif de chacun de ces polymères, expliquer cette différence

de comportement.

Le polyéthylène téréphtalate (PET) présente des chaines linéaires : le motif présente une fonction

ester et ne contient plus de fonction alcool susceptible de réagir donc c’est un thermoplastique.

Les résines glycérophtaliques contiennent encore une fonction alcool qui peut réagir et ainsi acquérir

une structure tridimensionnelle par réticulation. Cette dernière est figée d’où le caractère

thermoplastique de ces matériaux. (Doc 1 et Doc 2)

6. Faire une analyse commentée des graphes du doc.2, en particulier l’évolution des données de

ces dernières années.

L’observation des graphes du doc. 2 montre :

Que le tonnage des emballages plastiques produits en France évolue peu depuis quinze ans, sa

croissance n’étant que de 11% entre 1994 et 2009 avec une décrue depuis cinq ans ;

Que le tonnage des emballages plastiques ménagers recyclés présente au contraire une très forte

croissance passant d’une dizaine de milliers de tonnes , en 1993, à plus de deux cent mille tonnes en

2009 ; il faut voir là le résultat de la mise en place ces quinze dernières années du tri sélectif des

déchets ;

Une croissance ou une stagnation, ces deux dernières années, des deux tonnages considérés ; cela

traduit peut-être une prise en compte du gaspillage créé par des emballages souvent surdimensionnés

par rapport au produit ou l’utilisation d’autres types d’emballages plus en phase avec un développement

durable (verre, métaux recyclables, etc.).

7. Comment peut se manifester, à l’échelle macroscopique, le vieillissement d’un plastique ?

Le vieillissement des matières plastiques modifie les propriétés de celles-ci.

A l’échelle macroscopique, le vieillissement d’un plastique se fait généralement de façon progressive.

On peut ainsi observer l’apparition de fissures ou de craquèlements, la perte d’élasticité ou de

thermoplasticité, la décoloration du matériau. Abandonné aux intempéries, aux variations de

température ou à la lumière, les matières plastiques deviennent cassantes et se délitent lentement,

voire très lentement ; d’où la nécessité de ne pas abandonner ces matériaux dans la nature. (Doc 3).

Remarques :

Le processus de vieillissement touche toujours un petit groupe d’atomes comme le groupement ester qui

est modifié par hydrolyse. La formation d’acides et d’alcools modifie alors les propriétés du matériau.

L’hydrolyse d’un ester est une réaction lente, mais le processus est ici accéléré par le facteur concentration

en eau, car les produits formés lors de l’hydrolyse sont hydrophiles.

Les matières plastiques se dégradent plus vite dans l’eau, produisant ainsi des produits polluants solubles dans

l’eau des rivières par exemple.

Le vieillissement des matières plastiques modifie les propriétés de celles-ci. Ne pouvant plus servir à leur usage

destiné et compte tenu de la quantité gigantesque de matières plastiques fabriquées chaque année, la gestion

de ces déchets est un enjeu écologique important.

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8. Quelles sont des deux voies les plus utilisées en France pour réutiliser les déchets plastiques ?

En France, les déchets plastiques sont réutilisés :

- soit par la filière de la valorisation chimique, consistant à dépolymériser le matériau par voie

chimique ;

- soit par la filière de la valorisation énergétique, consistant à incinérer les déchets afin de récupérer

la chaleur générée dans les réseaux de chauffage ou dans la production d’électricité par exemples.

(Doc. 2 et doc. 4)

9. Donner le nom de la réaction mise en jeu dans les incinérateurs.

Dans les incinérateurs, il se produit une réaction chimique de combustion. (Doc. 4)

10. Ecrire l’équation de combustion complète du polychlorure de vinyle de formule brute C2nH3nCln.

Que peut-on dire, d’un point de vue écologique, de la nature des rejets obtenus ? L’incinération est-

elle une méthode intéressante pour éliminer ce polymère ? Argumenter.

La combustion complète du polychlorure de vinyle a pour équation :

C2nH3nCln + 5𝑛

2 O2 2n CO2 + n H2O + n HCl

Cette combustion rejette dans l’atmosphère du dioxyde de carbone (comme toute combustion), un gaz

à effet de serre et du chlorure d’hydrogène, un gaz source de pluies acides, ce qui n’est pas bon d’un

point de vue écologique.

Les usines d’incinération peuvent piéger en partie le chlorure d’hydrogène ; Le PVC a un pouvoir

calorifique inférieur (PCI) faible (seulement 20 MJ.kg-1) donc l’incinération n’est pas une méthode

intéressant pour éliminer ce polymère. Il est préférable de le recycler après passage en centre de tri.

(Doc 4)

11. BILAN : Faire un schéma légendé présentant le cycle de vie d’un objet thermoplastique, puis

d’un objet thermodurcissable.

La différence fondamentale entre un objet thermoplastique et un objet thermodurcissable est que le

premier peut être fondu et moulé après un premier emploi alors que le second ne peut être fondu. Ils

vont donc avoir des cycles de vie différents.

Cycle de vie d’un matériau thermoplastique :

La valorisation chimique a pour but de désassembler les déchets plastiques pour fabriquer de

nouveaux matériaux. On peut alors parler de recyclage puisque la matière est réutilisée en tant que

matière.

La valorisation énergétique est plutôt un procédé d’élimination. En effet, seule l’énergie libérée par la

combustion est utilisée car les produits formés ne sont pas utilisables.

Cycle de vie d’un matériau thermodurcissable :