Un polyuréthane ou polyuréthanne est un polymère thermodurcissable d'uréthane, une molécule organique.
Formule Moléculaire On appelle uréthane, ou plus couramment « carbamate », tout composé produit par la réaction d'un isocyanate et d'un alcool conformément à la réaction suivante : vignette|redresse=1.5|centré|class=skin-invert-image
Historique Cette réaction était connue depuis plusieurs décennies lorsqu'en 1937, Otto Bayer découvrit comment en faire un plastique utilisable, exempt de polyisocyanate et polyol.
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Dans les années 1970, l'utilisation de l'uréthane pour les roues a, par exemple, révolutionné les sports sur roulettes (patins à roulettes, planche à roulettes). Il se trouve aussi dans certains jouets.
Les polyuréthanes peuvent être fabriqués avec une grande variété de textures et de duretés en variant les monomères utilisés et en ajoutant d'autres substances. Ils sont utilisés pour les colles, peintures, élastomères (« caoutchoucs »), mousses, fibres. Ainsi, ces plastiques aux vastes applications sont utilisés dans un grand nombre d'industries.
Principes chimiques des polyuréthanes
Polymérisation en chaîne Il s'agit d'une réaction chimique conduisant selon un mécanisme radicalaire ou ionique à des macromolécules linéaires ou réticulées à partir de composés vinyliques (ayant une double liaison C=C) ou d’hétérocycles comme l'oxyde d'éthylène et le caprolactame. La masse molaire moyenne des macromolécules ainsi obtenues peut atteindre plusieurs millions de grammes par mole. Le greffage de chaînes latérales sur les chaînes déjà formées offre une multitude de possibilités, certaines plus intéressantes que d'autres.
Polymérisation par étapes Il s'agit du second mécanisme de polymérisation, à côté de la polymérisation en chaîne. Il se distingue de ce dernier par un mécanisme d'étapes indépendantes. Il repose sur la réactivité de groupes fonctionnels réagissant ensemble pour former un nouveau groupe qui liera chimiquement les deux bouts de chaînes. Il existe deux types de polymérisation par étapes, la polycondensation et la polyaddition. La réaction menant à la formation de polyuréthanes fait partie des polymérisations par étapes et plus précisément des polyadditions.
Polycondensation Il s'agit d'une réaction de polymérisation mettant en œuvre des monomères au moins bifonctionnels (diacides, diols, diamines) pour former des chaînes macromoléculaires, avec dégagement de molécules de faible masse molaire (le plus souvent de l'eau).
Polyaddition La polymérisation par addition regroupe l'ensemble des réactions de polymérisation mettant en œuvre des monomères au moins bifonctionnels conduisant à des macromolécules, sans dégagement de petites molécules, contrairement à la polycondensation, par exemple les polyuréthanes et polyurées par réaction de diisocyanates avec des diols ou des diamines, les résines époxyde par réaction de pré-polymères porteurs de fonctions époxyde (DGEBA par exemple) avec des durcisseurs de type diamine, entrent aussi dans cette catégorie.
Les groupes isocyanate réagissent avec les alcools pour donner des groupes uréthane stables.
Cette réaction fut découverte par Charles Adolphe Wurtzisimabomba.free.fr, Charles Adolphe Wurtz en 1849.
Pour les matières plastiques et pour les élastomères, la formation de polyuréthanes à partir de diisocyanates et d'eau avec dégagement de a pris une importance toute particulière car les mousses polyuréthanes sont très utilisées au quotidien.
Mais l’élément le plus important du procédé de polyaddition des diisocyanates est leurs réactions sur les composés polyhydroxylés, car les groupes uréthane ainsi formés (groupe ester de l'acide carbamique) sont stables. Dans les premiers temps des polyuréthanes, on utilisait des diols de faible masse molaire comme le butanediol et par polyaddition avec le diisocyanate d'hexaméthylène (HDI), on obtenait des polyuréthanes linéaires (fibres polyuréthanes). Dans les polyuréthanes actuels, le groupe uréthane est en fait seulement l’élément de jonction entre les chaînes macromoléculaires. Ce groupe présente une stabilité et une rigidité exceptionnelle, son énergie de cohésion dépasse même légèrement celle de la fonction amide. Ceci explique les excellentes propriétés mécaniques des polyuréthanes, même si les groupes uréthane ne représentent qu’une petite fraction de l’édifice macromoléculaire.
Principales utilisations
D'après une étudeÉtude de l'Ademe concernant le polyuréthanne et ses utilisations de l'Ademe, l'emploi des polyuréthanes dans le monde se répartit de la façon suivante :
Mousses de polyuréthane
Les mousses flexibles sont particulièrement utilisées en ameublement (assises des sièges et canapés), les mousses rigides sont intégrées aux murs rideaux, ou des panneaux d'isolation (panneaux sandwich) utilisés dans le bâtiment ou dans l'électroménager (parois de réfrigérateurs ou des chambres froides par exemple). L'ordre de grandeur de la conductivité thermique de la mousse de polyuréthane se situe entre ..
Sous la forme de mousse expansée, les mousses de polyuréthanes sont largement utilisées pour leur qualité d'isolation thermique, leur adhérence sur tout support, leur pouvoir de flottaison, leur capacité à remplir les vides quels qu’ils soient et à permettre des emballages sur mesure, légers et solides. Les mousses vendues en bombe ont une capacité d'expansion de l'ordre de de mousse par litre de produit. La masse volumique de la mousse obtenue est de l'ordre de .
Colles Les polyuréthanes sont à la base de la fabrication de colles plus particulièrement pour assembler le bois ou le collage des semelles de chaussures. L’avantage principal de ce type de colle est sa résistance à l’eau. La mousse de polyuréthane est aussi un excellent matériau de collage utilisée astucieusement dans le bâtiment en la détournant de son usage premier pour par exemple coller des panneaux d'isolation sur des cloisons.
Roues et roulettes Les polyuréthanes intégrant des ingrédients anti-abrasion sont utilisés dans la fabrication de roues et roulettes extrêmement solides (patins à roulettes, planche à roulettes, caddy). D'autres variétés ont été développées pour les pneumatiques, et des variantes micro-cellulaires de mousse sont largement utilisées pour les roues des fauteuils roulants et des bicyclettes mais aussi pour les amortisseurs, silentblocs et pare-chocs.
Ameublement Le polyuréthane est également employé dans la fabrication de meubles (coussins, assises de sièges) et pour protéger les bordures des meubles à des fins de sécurité comme de longévité. Certains meubles entièrement fabriqués dans cette matière sont célèbres, comme H5&6 chair, ou à base de mousse polyuréthane parmi d'autres composants comme Tube chair.
Industrie automobile Que ce soit dans les sièges, les appuie-têtes, les accoudoirs, les volants, les garnitures de pavillons, les tableaux de bord, les tablettes arrière, faux planchers et autres fonds de coffre, les polyuréthanes sont très employés dans l’industrie automobile qui met à profit sa diversité pour ce qui est de la souplesse et de la densité. L'industrie automobile est également très friande de mousses PU ayant pour rôle l'isolation thermique et acoustique au travers de la fabrication de tapis d'insonorisation ou d'absorbeurs, que ce soit dans l'habitacle ou dans le compartiment moteur. Rigide ou souple, haute ou basse densité, expansible ou non, facilement renforçable avec la quasi-intégralité des fibres naturelles ou synthétiques du marché (sauf le PP). Un matériau éminemment formable par moulage (injection haute ou basse pression, pulvérisation…). L'inconvénient majeur de ce matériau réside dans le fait qu'étant thermodurcissable, il ne peut pas être recyclé et réutilisé sous une forme identique. La société Bayer, par exemple, mais d'autres également, le réinjectent sous forme pulvérulente dans du produit vierge au moment de l'injection. Son coût le destine la plupart du temps aux véhicules de milieu et haut de gamme. Les caractéristiques intrinsèques du matériau lui permettent des mises en œuvre sur la base d'investissements qui peuvent aller du très léger au très lourd selon le type de pièce et les cadencements.
Natation Les premiers modèles de combinaisons 100 % polyuréthane conçus par la marque italienne Jaked sont apparus en compétition en 2008. Les autres marques, Adidas, Arena, TYR, ont conçu des modèles similaires, qui, enfilés par les meilleurs nageurs du monde, ont apporté un gain considérable des performances. Les championnats du monde de Rome 2009 en ont été l'illustrationBains Romains, sur Le Monde.fr (consulté le 30 juillet 2009). Ces produits ont été interdits par la Fédération internationale de natation (FINA) à partir du début de l'.
Décoration La mousse de polyuréthane est un matériau exceptionnel pour réaliser des éléments de décorations (fausses poutres, décors, sculptures) qui sont ensuite peints ou recouverts de matière comme le crépi.
Nautisme 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 même, la coque des bateaux est souvent constituée de mousse de polyuréthane intégrée à une double peau de fibre de verre.
Dispositifs médicaux : préservatifs, gants chirurgicaux, pansements De nombreux modèles de préservatifs sont fabriqués à partir du polyuréthane. Ils présentent l'intérêt d'être moins allergènes que le latex tout en présentant de parfaits critères de qualité.
Le polyuréthane 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 quant à elle du carboxyméthylcellulose (CMC). Il constitue aussi les pansements films adhésifs transparents dont on se sert comme pansement primaire, secondaire ou pour la fixation de cathéter. Les pansement hydrocellulaires sont constitués de trois couches de polyuréthane différentes : la couche la plus interne, microperforée en polyuréthane ou parfois en silicone, la couche centrale, en mousse de polyuréthane qui est absorbante, et la couche externe, un film semi-perméable de polyuréthane.
Industrie Les films de polyuréthane sont utilisés pour protéger de la corrosion, l'abrasion et l'érosion de nombreux types d'équipements (ailes d'avions, trains, automobiles, pales d'éoliennes).
Textile Polyuréthane thermoplastique élastomère, le Lycra (Spandex ou Élasthanne) est créé par Dupont de Nemours. Sa chaine principale est composée à la fois de groupes uréthane et de groupes urée. De nombreux vêtements sont fabriqués à base de Lycra dont les propriétés extensibles en font un produit très adapté aux vêtements de sport.
L'uréthane entre dans la composition des combinaisons spatiales pour fabriquer la couche pressurisée. Il est enduit sur une couche de nylon et recouvert d'une couche de Dacron.
Laques, peintures et vernis Les polyuréthanes sont largement utilisés dans les enduits, laques, peintures et vernis que cela 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 (exemple : estérification de diacides avec un excès de polyols). Grâce aux possibilités de variation illimitées, on peut obtenir des peintures avec tous les degrés de dureté ou d’élasticité voulus.
Réactivité du groupe isocyanate