MATERIAUX POLYMERES ET MOUSSES Etude documentaire : 1ere partie : les mousses

Une mousse solide provient d'une mousse liquide (plus ou moins visqueuse) par solidification du liquide. Celle-ci peut être obtenue par différentes voies selon la nature du liquide : solidification (par exemple au cours d'une trempe thermique), polymérisation, gélification.

• Lorsque les films liquides séparant les bulles de la mousse liquide survivent à la solidification, on parle de mousse fermée car chaque bulle est encore fermée.

• Dans le cas contraire, on parle de mousse ouverte.

Afin d’optimiser le poids d’un composant, les matériaux de faible densité sont très recherchés et l’un des moyens choisis pour les concevoir a été de réduire la quantité de matière solide utilisée dans la fabrication, tout en préservant le dimensionnement géométrique de la structure. Ainsi, des matériaux de type cellulaire ont été fabriqués à partir de métaux en adaptant et en copiant la conception naturelle (liège, mousse, os…). C’est ainsi que les mousses métalliques ont été inventées. Les mousses métalliques possèdent de bonnes caractéristiques mécaniques. De nombreux tests ont également démontré qu’elles possèdent une grande capacité d’absorption d’énergie. En outre, les performances de ces matériaux peuvent être améliorées lorsqu’ils sont assemblés en sandwich avec des fibres de carbone ou d'aramide (Kevlar).

Les mousses métalliques peuvent être mises en œuvre grâce à l’introduction d’un agent moussant dans le métal liquide suivant le procédé décrit ci-dessous :

L’agent moussant utilisé est un Hydrure de Titane (TiH2), environ 2% en masse. En chauffant il libère du dihydrogène qui forme des bulles tandis que le titane est rejeté dans l’aluminium.

La mousse d’aluminium remplit ensuite le moule dans lequel elle est contenue. Il est donc important de noter que ce procédé est discontinu. Le diamètre des pores obtenus varie de 0,5 à 5 mm. Applications actuelles et potentielles : Les mousses à cellules ouvertes (Open Cells) possèdent des milliers de bulles éclatées, ce qui permet aux gaz et aux liquides de passer au travers. Cette caractéristique les rend idéales pour des applications telles que les échangeurs et dissipateurs de chaleur, les catalyseurs, les barrières acoustiques contre le bruit, les filtres, les électrodes, les écrans électromagnétiques, etc. Les mousses à cellules fermées (Closed Cells), à la différence de celles à cellules ouvertes, sont composées de milliers de bulles non éclatées. Ainsi, les gaz et les liquides ne peuvent passer à travers ce matériau. Leur étanchéité et leur légèreté sont telles que certaines de ces mousses peuvent flotter sur l’eau. Elles sont très prometteuses pour la fabrication de structures pour des véhicules de transport. Parmi les principales applications envisagées, notons les châssis d’automobile, les composantes de fuselage d’avion, les wagons de train, mais aussi des panneaux de revêtement pour les façades de bâtiment. Elles peuvent également être utilisées comme matériau d’absorption des impacts à l’intérieur des pare-chocs ou de blindages ultralégers. De nos jours, il n'existe que très peu de réalisations industrielles à grandes échelles en mousse métallique. Voici les utilisations les plus concrètes des mousses métalliques : Des mousses de nickel sont produites à l’échelle industrielle, car elles possèdent de bonnes caractéristiques d'échange électrique, nécessaires à l'élaboration de batterie pour appareils portables (téléphone, ordinateur...). En effet, les mousses de nickel sont utilisées comme électrodes dans les batteries nickel-métal hydrure (NiMh) et permettent de réaliser des gains d'énergie considérables par rapport aux batteries nickel / cadmium (NiCd) classiques. Les implants dentaires :

Le but des implants dentaires conçus en mousse de titane est de remplacer des dents abîmées. Contrairement aux implants classiques faits de titane massif, l'implant de mousse de titane a une structure poreuse. Cette structure poreuse imite particulièrement celle de l'os humain. Les pores de la mousse permettent aux cellules osseuses de se multiplier dans l'implant et donc de l'ancrer plus solidement à la mâchoire. Il s'ensuivra une guérison plus rapide et l'usage d'implants de taille réduite. Les prothèses de hanche :

Une prothèse de hanche est un dispositif qui remplace l’articulation de la hanche et permet à cette dernière un fonctionnement quasi-normal. Sur la photo ci-contre, on peut voir une prothèse de hanche en mousse de titane à cellules ouvertes qui imite la structure de l’articulation humaine. La résistance à la corrosion, la biocompatibilité et la propriété des cellules ouvertes (qui favorisent la fixation des tissus) de la mousse de titane rend cette prothèse de hanche très performante.

2ème partie : Application expérimentale La caramélisation est une technique culinaire qui consiste à polymériser le sucre contenu dans un aliment (brunissement non-enzymatique), de sorte qu'il acquiert une couleur brune et un goût de noix, sans qu'il soit brûlé ni carbonisé.

Températures de caramélisation Sucre Température

Fructose 110 °C Galactose 160 °C Glucose 160 °C Maltose 180 °C Saccharose 160 °C

Le fructose est un ose du groupe des cétoses, que l'on trouve en abondance dans les fruits, le miel…

Formule : C6H12O6 Nom IUPAC : Fructose Masse molaire : 180,16 g.mol-1

Point de fusion : 103 °C Point d'ébullition : 440 °C Solubilité : Eau

L'hydrogénocarbonate de sodium ou bicarbonate de sodium ou carbonate mono sodique ou bicarbonate de soude (appellation la plus commune, mais ne correspondant pas aux dénominations normalisées des composés chimiques) ou carbonate acide de sodium (appellation la plus employée dans la composition des pâtisseries industrielles) a pour formule NaHCO3. Le bicarbonate de sodium est biodégradable et n'est toxique ni pour l'environnement ni pour la santé. Le bicarbonate de sodium perd du dioxyde de carbone à 50 °C et est converti en carbonate de sodium à 100 °C suivant la transformation :

2 NaHCO3(s) → Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g) Présentez la méthode de fabrication d’une mousse en quelques étapes. Puis par analogie avec la fabrication d’une mousse métallique, proposez un protocole de mise en œuvre d’une mousse à partir d’un sucre et d’hydrogénocarbonate de sodium. Réalisez cette mousse et décrivez sa structure à l’aide de la caméra microscopique

Définition d’une mousse : Une mousse se définit par un amas de « bulles » mesurant de 0.5 à 5 mm. La mousse est une structure solide ou liquide, contenant des alvéoles (pores). Il existe 2 phases : liquide-solide / solide-gaz. Toutes les mousses sont à un moment donné à l’état liquide. Cette dernière peut-être plus ou moins visqueuse, et peut donner lieu à de la mousse solide, réalisée via la solidification (au cours d’une trempe thermique par exemple), polymérisation, ou gélification de la mousse liquide. Il existe 2 sortes de mousse :

- Mousse fermée : caractérisée par les films liquides qui restent intactes après la solidification, donnant lieu à des milliers de bulles non éclatées. Elle a pour conséquence de ne pas pouvoir laisser passer les gaz et les liquides (elles sont étanches à contrario des mousses ouvertes).

- Mousse ouverte : caractérisée par des milliers de bulles éclatées, ce qui a pour conséquence le passage de liquides et de gaz.

Méthode de fabrication d’une mousse : La méthode de fabrication d’une mousse consiste à mélanger un polymère et un agent moussant, que nous faisons ensuite chauffer. Celui-ci entraine la formation d’un amas de bulles, qui sera ensuite refroidi, et donnant alors lieu à de la mousse. Fabrication d’une mousse métallique : La mousse métallique est constituée d’un agent moussant, d’eau et de polymères. Par analogie avec la mousse, on la fait chauffer. L’agent moussant libère du dihydrogène formant des bulles : elle passe de l’état liquide à l’état gazeux. (Exemple de mousse métallique : on mélange l’aluminium épaissi et l’agent moussant, ce qui entraine la formation de la mousse d’aluminium. Après refroidissement, la mousse d’aluminium se solidifie.) Protocole de fabrication d’une mousse à partir de s accharose et d’hydrogénocarbonate de sodium (= bicarbonate de sodium): On prend 25 g de saccharose pour 0.5 g de bicarbonate de sodium. Dans un récipient on met le saccharose, on le fait chauffer jusqu'à son point d’ébullition, il va passer en phase liquide, puis il sera polymérisé lorsque la couleur virera au brun (il se caramélisera = molécules qui ce polymérise). Pour que le liquide devienne mousse, on ajoute un agent moussant, ici le bicarbonate de sodium. On aura donc un polymère solide après la polymérisation et le refroidissement du mélange. Résultat :

Tailles des « bulles » : entre 1 et 2 mm.

Pores (alvéoles) de la mousse

Polymérisation du saccharose

1 mm

Mousse de saccharose

I. La mousse sous l’œil des scientifiques

Les mousses sont omniprésentes dans notre quotidien sous des formes aussi diverses que la mousse du shampoing, les blancs en neige ou encore la garniture des fauteuils. À chaque fois, des bulles d’air dispersées dans une matrice d’eau, de polymères, voire de verre ou de métal… Comprendre la physico-chimie de ces mousses pour mieux en maîtriser la fabrication et développer des nouvelles applications est indispensable ! � Document :

Une bulle de savon est un globe formé d'un mince film d'eau savonneuse rempli d'air.

Une mousse solide formée par polymérisation d'acide acrylique. Elle peut contenir plusieurs fois son propre poids en liquide et est utilisée, par exemple, dans des couches pour bébé.

� A partir du document définir une mousse.

II. Expérience : Fabriquer du « dentifrice pour éléphant »

Précautions •••• Mettre des gants et des lunettes tout le temps de la manipulation. Ne pas toucher la mousse, car elle

est corrosive et chaude. Éliminer la mousse avec une serpillière humide et bien rincer à l'eau les surfaces touchées. Bien aérer la pièce pendant et après l'expérience et travailler éventuellement sous la hotte.

Protocole � Dans un petit bécher 50 mL, dissoudre l'équivalent de deux spatules d'iodure de sodium (KI) dans

quelques mL d'eau tiède. On fabrique une solution d’iodure de potassium (K+ + I-). � Dans la grande éprouvette, verser grâce 4 mL de liquide à vaisselle mélangé avec quelques gouttes

de colorant alimentaire, puis 20 mL d'eau oxygénée concentrée. Homogénéiser en faisant tourner le tout dans l’éprouvette.

� Placer l'éprouvette bien au centre du cristallisoir. Poser l'ensemble sur une surface dégagée � Verser rapidement la solution d'iodure de potassium dans l'éprouvette et reculer. � Observer la formation de plus en plus rapide de mousse qui jaillit de l'éprouvette. La mousse fume,

elle est très chaude. � Plonger une

allumette incandescente dans la mousse. Observer. Exploitation

� Renseignements utiles : • L’eau oxygénée H2O2 est l’oxydant du couple oxydant/réducteur H2O2/HO-. L’ion iodure I– est le

réducteur du couple oxydant/réducteur I2/I-.

• Le diiode I2 a une coloration brune en solution aqueuse. Instable, il se décompose en ions iodure et en ions iodate IO3

-. Ces derniers réagissent avec l’eau oxygénée pour donner du dioxygène O2. En parallèle, en milieu basique (présence de HO- en excès), l’eau oxygénée se décompose (se dismute) en dioxygène et en eau.

1) Quelle espèce chimique est responsable de la coloration brune de la mousse et de l'odeur qui s'en dégage ? On pourra ajouter quelques gouttes d'empois d'amide pour confirmer.

2) En milieu neutre, écrire l’équation de la réaction entre l’eau oxygénée et les ions iodure. 3) Quelle est l’espèce chimique mise en évidence par l’allumette incandescente ? 4) Ecrire les équations correspondant aux différentes étapes de la décomposition du diiode et à l’action

de l’eau oxygénée. 5) Comment expliquer que la mousse est chaude ? 6) Pourquoi la réaction met-elle du temps à démarrer, s’accélère ensuite, puis ralentit-t-elle enfin ? 7) Quel rôle joue le produit vaisselle ? 8) Conclusion : Justifier que le système formé est bien une mousse.

III. Expérience : L’effet « Coca-Menthos »

Expérience :

Pour réaliser le geyser, mettre une ou plusieurs pastilles de Mentos dans une bouteille de Coca-Cola ou de boisson gazeuse équivalente. Des expériences prouvent que n'importe quelle boisson gazeuse réagit à l'introduction d'un Mentos. Le Perrier et la limonade en sont des exemples. Il est d'ailleurs possible que le geyser soit plus puissant avec de la limonade qu'avec du soda. Cela tiendrait au fait que la surface du Mentos est poreuse. Ces aspérités permettent une nucléation plus facile : le dioxyde de carbone, dissous dans l'eau sous forme d'acide carbonique H2CO3, profite de l'irrégularité de l'enrobage du Mentos pour se transformer en gaz. Ce phénomène de nucléation est observable en toute circonstance : les bulles du soda remontent à la surface en permanence. Le Mentos accélère cet effet, ce qui provoque le geyser.

Les bonbons comme les menthos contiennent beaucoup de gomme arabique (ou gomme d’acacia). Celle-ci a un rôle amplificateur : elle réduit la tension superficielle du soda, permettant au CO2 de mieux se libérer car il facilite l’apparition des bulles : les molécules d’eau étant polaires il est plutôt défavorable énergétiquement de les mettre en contact avec l’air (plutôt apolaire) sur de grande surface. La gomme arabique favorise ce contact et donc l’apparition de bulle.