Elaboration, évolution et protection des matériaux - Maxicours

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Elaboration, évolution et protection des matériaux

Objectifs
Présenter comment sont élaborés quelques matériaux courants : métaux, plastiques. Présenter la notion de durée de vie d’un matériau, puis voir comment le protéger. Justifier la pratique du recyclage. Indiquer comment sont recyclés les matériaux selon leur nature.
1. Elaboration des matériaux
a. Les métaux
Les métaux sont rarement à l’état natifs, c'est-à-dire présents dans la Nature sous forme métalliques. La plupart du temps, ils sont plutôt rencontrés sous forme d’oxydes.

Le fer est présent dans l’écorce terrestre sous forme de minerai de fer comme l’hématite , la magnétite , etc. Le minerai est mélangé dans un haut fourneau avec de la coke, riche en carbone. Le mélange est alimenté en air chaud. Le monoxyde de carbone formé va réduire les oxydes en fer métallique : . Le matériau ferreux obtenu a un taux de carbone entre 2 % et 6,67 % en masse : il est qualifié de fonte.

Dans un convertisseur, par injection de dioxygène sur la fonte en fusion, à 1600 °C, une part du carbone est consommée. Pour un taux compris entre 0,02 % et 2 % en masse, il s’agit d’aciers (alliages fer/carbone). Par rapport au fer pur, l'acier a une dureté largement accrue. Il est très utilisé dans diverses applications : bâtiments, véhicules, ...

L’aluminium se trouve surtout dans une roche du nom de bauxite. Cette dernière est riche en alumine et en oxydes de fer. Actuellement, le procédé Bayer est le plus utilisé pour extraire l’alumine de la bauxite. Il repose notamment sur l’utilisation de soude et de hautes températures, jusqu’à 1000 °C. Ensuite, l’aluminium métallique est récupéré de l’alumine par électrolyse, selon une réaction globale . L’aluminium est le métal le plus utilisé après l'acier, en raison de ses propriétés mécaniques, et de sa légèreté.

Le cuivre existe quelquefois à l’état natif, mais est le plus souvent dans la chalcopyrite , ou sinon dans des sulfures ou des oxydes. Une fois extrait, le cuivre doit parfois être purifié par électrolyse à anode soluble. En effet, le cuivre employé en électricité, du fait de sa bonne conductivité, requiert une certaine pureté du matériau.
b. Les matières plastiques
Elles sont constituées par des macro-molécules, des polymères. Dans l’industrie, ces molécules sont obtenues par assemblage de molécules plus petites, des monomères, lors de la polymérisation. Par exemple :
Le polychlorure de vinyle, ou PVC, est utilisé pour des tuyaux de canalisations, des câbles électriques, des encadrements de fenêtres …Il est produit selon la réaction de polymérisation :



Le polyméthacrylate de méthyle, ou en anglais Polymethyl Methacrylate (PMMA) est plus connu sous son nom commercial de Plexiglas. C’est un matériau transparent utilisé en optique (fibres optiques, …). Son indice optique est proche de 1,5 et il transparent aux UV. Il s’obtient par polymérisation du méthacrylate de méthyle :



En général, la confection de matières plastiques fait intervenir de nombreuses réactions chimiques, notamment à partir de molécules organiques issues du pétrole/gaz naturel.
2. Protection des matériaux
Les matériaux ont une durée de vie limitée, car ils sont soumis à des agressions extérieures qui vont progressivement les dégrader. Ce faisant, ils peuvent perdre certaines de leurs propriétés (mécanique, conducteur électrique). En tant que pièces importantes dans un mécanisme (moteur), cela représente un danger potentiel. Toutefois, en protégeant les matériaux, on peut limiter ces agressions, et de fait de prolonger leur durée de vie.

Les matières plastiques sont sensibles aux agressions extérieures, de type thermiques (chaleur, rayons du Soleil), chimiques (acides, …), mécaniques. Quelquefois, afin de leur apporter une protection chimique, certaines espèces chimiques sont rajoutées aux matières plastiques lors de leur fabrication, comme le bisphénol A (en tant qu’antioxydant). Mais, il a été découvert que cette molécule présente une certaine toxicité.

Pour le fer et l’acier, l’oxydation (la « rouille ») est la principale menace. Elle se forme préférentiellement en milieu humide, selon la réaction  . Une solution ionique comme l’eau salée accélère sa formation. La rouille la plus courante est  . C’est un dépôt brun qui est poreux, friable, isolant électrique. Le processus peut se poursuivre de plus en plus profondément dans le matériau. Aussi, le volume de la rouille est supérieur à celui du fer non oxydé : des pièces très oxydées peuvent perdre leur forme.

Pour protéger le fer et l’acier, différentes solutions :

Aciers inoxydables. En incluant du chrome à la structure de l’alliage, l’acier obtenu a un meilleur comportement vis-à-vis de la corrosion. A la surface du matériau, le chrome s’oxyde avec le dioxygène de l’air selon la réaction . Cette couche d’oxydation du chrome, contrairement à celle du fer, est compacte et étanche. Elle protège ainsi l’acier. Si la couche de est abimée, mécaniquement ou chimiquement, une nouvelle couche se reforme juste au dessous. Cet acier s’ « auto-répare ».

Traitement superficiel. Cette solution consiste à protéger la surface du matériau :
L’application d’une couche de peinture forme une barrière étanche qui protège l’acier du milieu extérieur. Cependant, quand la peinture s’use et s'écaille, sous l’effet des agressions extérieures, l’acier exposé rouille. Si rien n’est fait, l’oxydation progressera, même si la zone exposée est petite.

Dépôt d’une fine couche métallique : chrome, nickel, étain… Ces métaux, en s’oxydant, forment des oxydes étanches, qui protègent l’acier recouvert. Souvent, cette opération vise une amélioration esthétique (chromage de pièces de motocyclettes, nickelage des vis et boulons) ou mécanique (meilleurs frottements avec d’autres pièces). Le « fer-blanc » des boîtes de conserve est un acier recouvert d’étain.

L’acier galvanisé est un acier recouvert d’une couche de zinc. Comme pour les métaux cités ci-dessus, cela peut être effectué par électrolyse. Les avantages du zinc sont qu’il s’oxyde lentement et qu’il va s’oxyder à la place du fer. En conséquence, une éraflure dans de l’acier galvanisé ne provoque pas la rouille de l’acier. L’oxyde de zinc « colmate » l’éraflure : le matériau s’ « auto-répare »  dans une certaine mesure.

Protection cathodique. L’expérience ci-après illustre la propriété évoquée plus haut : quand du zinc est en contact avec du fer/acier, le zinc s’oxyde en premier, protégeant alors le fer. Pour des pièces d’acier en contact fréquent avec l’eau, il n’est ainsi pas nécessaire de traiter leur surface. Dans des bateaux en acier, des morceaux de zinc sont fixés à la partie immergée de la coque pour limiter la rouille de celle-ci. On parle de protection cathodique.


Remarque : Si l’oxydation du fer est un fléau, elle est par contre recherchée pour des métaux comme l’aluminium. En effet, l’oxyde d’aluminium forme une couche superficielle compacte, solide et étanche, et protège l’aluminium non oxydé. La couche oxydée peut même être épaissie afin d’optimiser cette protection, lors d’une anodisation de l’aluminium.
3. Le recyclage
Pourquoi ?
Le recyclage consiste à récupérer et réutiliser les matériaux composant des produits de consommation jetés en tant que déchets.

→ Un objectif est de limiter les rejets de déchets dans la Nature. Les sacs plastiques font des ravages sur certains animaux, notamment marins. Certains plastiques demandent parfois près d’un siècle pour se décomposer. D’autres déchets, comme des métaux, sont sources de pollution chimique (mercure).

Les ressources minières et pétrolifères sont en voir d'épuisement. L’extraction de matières premières est amenée à devenir de plus en plus onéreuse, même en améliorant les techniques d’extraction. D’autre part, bon nombre d’activités d’extraction et/ou de traitement du matériau sont polluantes (sables bitumineux).

→ L’extraction et la transformation de matières premières est gourmande en énergie. Par exemple, le verre est fabriqué à partir de sable (abondant !), mais requiert des températures élevées (1500 °C). La fabrication du papier demande du bois, mais aussi de l’eau, des produits chimiques (blanchissement) et de l’énergie. Le recyclage court-circuite une part des processus de fabrication : le recyclage permet d'économiser de l'énergie.

Comment ?
Après un tri sélectif des déchets, les divers matériaux sont traités différemment selon leur nature. Certains peuvent être totalement régénérés, et ainsi retrouver intégralement leurs propriétés, et peuvent de fait être recyclés quasi-indéfiniment. C’est le cas pour le verre.

Les métaux peuvent être refondus. Pour les aciers, les ferrailles sont fondues dans des fours, et sont mélangées à l’acier produit par la méthode traditionnelle (haut fourneau, convertisseur). L’aluminium est aussi totalement recyclable : économie conséquence en bauxite et énergie.

Pour les matières plastiques, deux groupes :
• Les thermoplastiques se ramollissent, puis fondent si on les chauffe. Ils sont potentiellement recyclables. Le polyméthacrylate de méthyle peut être dépolymérisé, ce qui permet de l’extraire, puis de le polymériser à nouveau, afin de reformer le matériau. Cela en fait une matière plastique parfaitement recyclable. Le PVC ne peut pas être dépolymérisé, mais des programmes récents ont proposé des solutions pour le recycler efficacement.

• Les thermodurcissables ont été mis en forme une première fois, ne peuvent pas fondre, et ne sont pas dépolymérisables. Exemple : les polyuréthanes (roues de patins à roulettes, pare-chocs, ...). Leur recyclage est difficile. Dans la pratique, ils sont broyés et mélangés à d’autres matériaux. Mais, ils ne pourront plus servir dans le cadre de leur première utilisation.

Valorisation énergétique. Malheureusement, tous les produits de consommation ne sont pas recyclables à 100 %, d’un point de vue technologique (on ne sait pas faire) ou économique (recyclage plus cher que la matière première). Les déchets sont alors incinérés, ce qui permet de récupérer de l’énergie sous forme de chaleur, mais libère aussi du . Les incinérateurs sont munis de filtres empêchant le rejet de substances toxiques dans l’environnement. Par exemple, la combustion du PVC libère du (chlorure d’hydrogène).
L’essentiel
Les métaux sont extraits de minerais. L’élaboration de métaux courants comme le fer, les aciers, l’aluminium demande de grandes quantités d’énergie. Les matières plastiques sont synthétisées par polymérisation de molécules (monomères), elles même synthétisées principalement à partir de ressources pétrolières/ gaz naturel.

Le fer et les aciers sont soumis à l’air libre à l’oxydation, qui les détruit peu à peu. Il est nécessaire de les protéger, afin d’allonger leur durée de vie : aciers inoxydables, dépôt d’une couche de peinture ou d’autres métaux, aciers galvanisés, protection cathodique.

Le recyclage des produits de consommation usés permet d’économiser les ressources naturelles, souvent en voie d’épuisement, et de réduire la pollution émise. Les métaux, le verre, le papier, certaines matières plastiques sont recyclables. D’autres sont plus délicats à traiter, et sont quelquefois brulés dans des incinérateurs (valorisation énergétique).

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