REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE LARBI BEN M′ HIDI (OUM EL BOUAGHI) FACULTE DES SCIENCES EXACTES ET S.N.V. DEPARTEMENT SCIENCES DE LA MATIERE N ° d’ordre : M……/ 2012 MEMOIRE Pour l’obtention du diplôme de Master en chimie Option : Chimie des matériaux Présenté Par : Aggoun Naziha Sous la direction de : Pr. M. Mokhtari Soutenu le : 25 / 06 / 2012 Devant le jury de soutenance suivant : • Pr. MALIK R. Y. ALHILLO • Pr. M. Bouhenguel • Pr. H. Bouchemma 2011 - 2012 SYNTHESE ET POLYMERISATION DE ε-CAPROLACTAME
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MEMOIRE SYNTHESE ET POLYMERISATION DE ε-CAPROLACTAME
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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE
SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE LARBI BEN M′HIDI (OUM EL BOUAGHI)
FACULTE DES SCIENCES EXACTES ET S.N.V.
DEPARTEMENT SCIENCES DE LA MATIERE
N° d’ordre : M……/ 2012
MEMOIRE
Pour l’obtention du diplôme de Master en chimie
Option : Chimie des matériaux
Présenté Par : Aggoun Naziha
Sous la direction de : Pr. M. Mokhtari
Soutenu le : 25 / 06 / 2012
Devant le jury de soutenance suivant :
• Pr. MALIK R. Y. ALHILLO
• Pr. M. Bouhenguel
• Pr. H. Bouchemma
2011 - 2012
SYNTHESE ET POLYMERISATION DE ε-CAPROLACTAME
Je souhaite, avant toute chose, remercier Dieu pour m’avoir soutenu et permis la réalisation de ce
mémoire.
J’exprimé mon profond remerciements à notre promoteur, le professeur Moukhtari. M.D pour
l'aide compétente qu'il m’a apportée, pour sa patience, sa confiance, son encouragement, et Son
œil critique qui nous a été très précieux pour structurer de travail et pour améliorer la qualité des
différentes sections de notre mémoire, je le remercions vivement.
Mes vifs remerciements vont au membre de jury pour l’honneur qu’il nous fait de présider ce
mémoire.
Je tien aussi à exprimer ma reconnaissance à tous ceux qui m’ont aidé à réaliser le travail de
synthèse et polymérisation en particulier Beghou Salem, Adjemi Said et lahsen.
LISTE DES FIGURES
CHAPITRE I Page
Figure I.1 Structures de base des polymères 4
Figure I.2 Enchainement d’un homopolymère linéaire 5
Figure I.3 Composition chimique de copolymères AB linéaires. 5
Figure I.4 Homopolymère ramifié 6
Figure I.5 Copolymère ramifié 6
CHAPITRE II
Figure II-1 Réaction de base des polyamides de type AA-BB 20
Figure II-2 Réaction de base des polyamides de type AB 21
CHAPITRE III
Figure III-1 Le Rotavapeur 24
Figure II-2 Protocole de chromatographie 25
Figure II-3 Montage de la réaction du l’oxime 26
Figure II-4 Montage de la réaction de caprolactame 27
Figure II-5 Montage de la réaction du nylon 29
CHAPITRE III
Figure II-1 spectre IR de cyclohexanone 32
Figure II-2 spectre UV de cyclohexanone 33
Figure II-3 plaque CCM de l’oxime 35
Figure II-4 spectre IR d’oxime 36
Figure II-5 spectre UV d’oxime 38
Figure II-6 spectre IR de caprolactame 41
Figure II-7 spectre UV de caprolactame 42
Schéma IV-1 Réaction globale du l’oxime 34
Schéma IV-2 Mécanisme de réaction du l’oxime 34
Schéma IV-3 Réaction global du caprolactame 37
Schéma IV-4 Mécanisme de réaction du caprolactame 39
Schéma IV-5 Réaction de polymérisation 43
Schéma IV-6 Mécanisme de polymérisation 44
LISTE DES TABLEAUX
Tableau IV-1 L’analyse de spectre IR de l’oxime 37
Tableau IV-2 L’analyse de spectre IR du caprolactame 40
La chimie macromoléculaire est relativement récente ; elle date de l’année 1920. La
science des molécules géantes peut satisfaire le physico-chimiste épris de mécanisme
réactionnel et de structure, elle a permis de réaliser par synthèse d’innombrables matériaux
plastiques
Le terme macromolécule est général et se rapporte en principe, à tout système défini
comme ci-dessus, qu’il soit organique, inorganique, artificiel ou synthétique, cependant, il
est préférentiellement employé pour décrire des systèmes organiques. Les macromolécules
artificielles qui résultent de la modification chimique des macromolécules naturelles, ainsi
que macromolécules artificielles synthétiques, créées de toutes pièces à partir de molécules
simples, sont le plus souvent appelées polymères.
La chimie des polymères est devenue l’un des principaux facteurs du développement
de la grande industrie chimique organique. Elle a fait l’objet de plusieurs projets de
recherche tel que la synthèse de nouveaux matériaux, la modification chimique de
certaines propriétés des matériaux et les études physico chimiques des matériaux
polymères. Les matériaux polymères appelés aussi matières plastiques ou simplement
plastiques, sont des matériaux organiques composés essentiellement d’atomes de carbone
et d’hydrogène.
Les plastiques, contrairement à beaucoup d’autres matériaux produits à partir des
sources naturelles, comme les métaux et les céramiques, sont développés et produits en
vue d’applications industrielles spécifiques. Dans ce contexte, nous nous sommes
intéressés à synthétiser un polymère à partir d’un amide cyclique en vue d’obtenir un
plastique; le nylon-6.
Notre travail concerne la synthèse du caprolactame (monomère) et sa polymérisation
qui conduit au nylon-6 (polymère). Le présent mémoire comprend quatre chapitres:
-Dans le premier chapitre, un rappel bibliographique consacré aux polymères et aux
réactions et procédés de polymérisation.
-Le deuxième chapitre concerne un aperçu général sur les polyamides.
-Le troisième chapitre présente le protocole expérimental de synthèse du nylon-6
ainsi que la discussion des résultats obtenus.
- Le quatrième chapitre est réservé pour les résultats obtenus et leurs discussions.
Introduction générale
2
-Finalement, une conclusion générale rassemble les principaux résultats obtenus au
cours de ce travail.
LES POLYMERES
CHAPITRE I Les polymères
3
I-1-HISTORIQUE DE POLYMERES:
Bien que l’homme ait depuis long temps utilisé des polymères naturels, comme les fibres
textiles par exemple, il faut attendre 1830 pour que la science s’y intéresse. Au départ, on a
transformé chimiquement des polymères naturels pour générer des polymères artificiels [2].
L’inventeur américain¨ Charles Good Year¨ découvre le procède réticulation du caoutchouc
an moyen de soufre (brevet dépose au 1839) ; cette opération de vulcanisation est désigne par
l’anglais ¨Thomas Hancock en 1844 [1].
Le terme polymère est pour la première fois utilisé en 1866 par Berthelot lors d’une de ses
observations, il désigne ainsi probablement le premier polymère synthétique reconnu, le
polystyrène [2].
Les frères ¨Jonh Wesley¨ et ¨Saioh Shyatt¨ mettent au point Le celluloïd en 1870. Ce
matériaux obtenu en plastifiant du fulmicoton avec du camphre fut non seulement le premier
plastique commercialise, mais aussi le seul durant prés de quarante ans [1].
Une étape importante est franchie avec la production industrielle de polymères synthétiques,
comme la bakélite en 1910
Même si la notion de macromolécule est présagée au début du XIXe siècle, de nombreux
chercheurs ne voient là que des agrégats ou micelles. Cette notion n’apparaît que tardivement
dans l'histoire de la chimie, dans les années 1920, avec les travaux d'Hermann Staudinger il
est le premier à proposer la notion de polymère comme connue aujourd’hui, il a ainsi ouvert
la voie à la science et à la technologie des polymères. Il a obtenu le prix Nobel en 1953 pour
ses travaux [2].
Ce n’est cependant qu'au cours de la décennie suivante que la théorie macromoléculaire a
définitivement remplacé la théorie micellaire à laquelle elle était opposée [2].
I-2- DEFINITION:
Les polymères – du grec 'poly' (beaucoup) et 'meros' (parties) – sont un groupe de produits
chimiques qui partagent un même principe de formation [5].
Un polymère est en effet une macromolécule obtenue par la répétition d'une unité
constitutives, encore appelée unité de répétition, comportant un groupe d'atomes liés par des
liaisons covalentes. Les termes « unité constitutive » et « unité de répétition » sont, de nos
CHAPITRE I Les polymères
4
jours, préférés à « motif monomère » ou « unité monomère». Un polymère peut être
schématisé par l'enchaînement covalent suivant, dénommé chaîne macromoléculaire :
– A – A – A – A – A – A – A –
Les polymères définis ci-dessus sont obtenus par la répétition d'une seule unité
constitutive: ce sont des homopolymères. Par opposition, les copolymères ont des chaînes
comportant plus d'un type d'unité de répétition [3].
Un monomère est un composé constitué de molécules simples pouvant réagir avec d’autres
monomères pour donner un polymère. Contrairement au polymère, un monomère a une faible
masse moléculaire.
Le terme macromolécule est souvent utilisé à la place de polymère [4].
I-3- STRUCTURE DES POLYMERES:
Les polymères peuvent présenter des architectures extrêmement variables. Ils peuvent être
linéaires, ramifiés ou réticulés [4]. (Figure I.1)
Les polymères peuvent être composés d'un seul type de monomère (homopolymère) ou de
différents types de monomère (copolymère) [5].
Figure I.1 : Structures de base des polymères
A) polymère linéaire
B) polymère ramifié
C) polymère réticulé
CHAPITRE I Les polymères
5
I-3-1- POLYMERES LINEAIRE:
Les polymères linéaires sont constitués de grandes chaînes de monomères reliés entre eux
par des liaisons covalentes [4]. En distingue deux classes principales :
I-3-1-1- LES HOMOPOLYMERES:
Peuvent être composés d'un seul type de monomère
Figure I.2 : Enchainement d’un homopolymère linéaire [5].
I-3-1-2- LES COPOLYMERE:
Contient deux monomères distincts (par exemple A et B), ces monomères peuvent être
arrangés de trois manières différentes :
• copolymère statistique : l'arrangement des deux monomères distincts du polymère
n'est pas régulier
• copolymère bloc : des séquences de l'oligomère A pur alternent avec des séquences de
l'oligomère B pur.
• copolymère alterné : les monomères A et B alternent au sein de la composition du
polymère [5].
Figure I.3: Composition chimique de copolymères AB linéaires.
I-3-2- POLYMERES RAMIFIE:
Certaines chaines latérales sont liées à la chaine principale [6].
CHAPITRE I Les polymères
6
I-3-2-1- HOMOPOLYMERE:
A A A
A ______ A A A
A A
A A A
Figure I.4 : Homopolymère ramifié [6].
I-3-2-2- COPOLYMERE :
Figure I.5 : Copolymère ramifié [5]
I-3-3- POLYMERES BIDIMENSIONNELS:
Ils se rencontrent sur tout dans le domaine des polymères naturels, ou l’enchainement
s’étend dans deux directions de l’espace.
I-3-4- POLYMERES TRIDIMENSIONNELS:
Se sont des réseaux à trois dimensions, ils sont beaucoup mois élastiques que les
polymères linéaires [7].
I-4-CLASSIFICATION DES POLYMERES:
Les polymères peuvent être classés selon divers critères, qui ne s’excluent pas les uns les
autres :
I-4-1- SELON LA NATURE CHIMIQUE:
CHAPITRE I Les polymères
7
I-4-1-1- POLYMERES MINERAUX:
Sont constitués par les chaines renfermant un seul corps simple comme le diamant, le
graphite, le phosphore et le soufre, ou par des chaines renfermant plusieurs hétéronomes
comme les silicates, les acides poly phosphoriques et les chlorures de polyphosphonitriles.
I-4-1-2- POLYMERES ORGANIQUE:
C’est la classe la plus riche, ils constituent presque la totalité des polymères d’utilisation
courante. Les principaux polymères organiques des synthèses sont les polyoléfines, les
polyvinyles, les polyamides, les polyesters et les polyacryliques
I-4-1-3- POLYMERES MIXTES:
Sont doués des propriétés intéressantes dont une bonne résistance thermique (300-
350°c) [8].
I-4-2-SELON L’ORIGINE :
En fonction de leur origine, on distingue trois types de polymères :
I-4-2-1- POLYMERES NATURELS:
(Cellulose, caoutchouc naturel, kératine…), issus des règnes animal et/ou végétal et on
connaît mal le processus de génération des motifs monomères [9].
I-4-2-2- POLYMERES ARTIFICIELS:
(Esters et éthers cellulosiques…) résultant de la modification chimique de groupements
moléculaires portés par les chaines de polymères naturels [9].
I-4-2-3- POLYMERES SYNTHETIQUES:
Les molécules monomères qui permettent de ces polymères n’existent pas la nature.
Cependant, on peut remarquer que les structures réalisées par la synthèse sont souvent
proches de celles des polymères naturels [10].
I-4-3- SELON LE COMPOREMENT THERMIQUE:
I-4-3-1-THERMOPLASTIQUE:
Sont pour la plupart constitués d’enchainement unidimensionnel résultant de
l’association de motifs simples. A chaud les matières thermoplastiques peuvent être moulées
et en refroidissant elles conservent la forme donnée [11].
I-4-3-2- THERMODURCISSABLES:
CHAPITRE I Les polymères
8
Sous l’action combinée ou non de la température, de la pression , de catalyseurs et de la
réactifs, la réaction conduit à un réseau tridimensionnel résultant du pontage des chaines,
opération appelée réticulation ; alors la forme est fixée et la transformation est définitive [11].
I-4-4- SELON LES USAGES TECHNOLOGIQUES:
I-4-4-1-ELASTOMERES:
Les élastomères, ou caoutchoucs, sont des polymères quasiment linéaires, avec des
ponts peu nombreux, dans lesquels les liaisons secondaires ont déjà fondu à température
ambiant. Les caoutchoucs courants sont tous issus de la structure :
H H
C C C C
H H R
Où le radical R est H, CH3 ou Cl [12].
I-4-4-2- PLASTOMERES:
Ce sont les plastiqueuses au sens large regroupant les thermodurcissables et les
thermoplastiques.
I-4-4-3- FIBRES SYNTHETIQUES:
On peut cites; le Nylon, le Tergal et la soie [13].
I-5- POLYMERISATION:
C’est une transformation qui s’effectue rapidement, à partir de molécules de base
identiques (monomères). Qui s’associent sous l’effet direct ou combine de pression et
température, d’amorçage radicalaire ou ionique, de rayonnement, en présence ou non de
catalyseurs, pour donner un polymère se présentant sous la forme d’une macromolécule à
chaine linéaire, dans laquelle le motif structurel de la molécule d’origine est répété plusieurs
milliers de fois (accrochés l’un après l’autre, comme les wagons d’un train). Si l’on opère à
partir de molécules différentes, l’on obtient un copolymère [14].
I-5-1- LES REACTIONS DE POLYMERISATION:
On distingue habituellement deux types principaux de réactions de polymérisation: les
polymérisations en chaine et les polymérisations par étapes. Ces deux procédés sont souvent
regroupés sous l’unique terme de polymérisations, d’où la confusion à éviter. Une autre
CHAPITRE I Les polymères
9
classification utilisée distingue les réactions de polymérisation, de polycondensation et de
polyaddition [15].
I-5-1-1-POLYMERISATION EN CHAINE OU POLYADDITION:
Résulte de la formation d’un centre actif R* qui fixe de façon successive de nombreuses
molécules de monomère [4]. Comme toute réaction en chaîne, cette polymérisation comporte les
étapes suivantes:
• l'amorçage : formation des centres actifs à partir du monomère
• la propagation: croissance des chaînes de polymère par additions successives
• la terminaison : destruction du centre actif et interruption de la croissance des
chaînes) [16].
D’après la nature des centres actifs, les déférents types de réactions de polymérisation en
chaine sont:
I-5-1-1-1- POLYMERISATION RADICALAIRE:
Dans le cas de la polyaddition radicalaire, on met en œuvre R* que est un radical libre
c’est-à-dire une entité chimique porteuse d’un électron non apparié, espèce très réactive
obtenue par scission homolytique d’une liaison covalente [11].
Les réactions de polymérisation radicalaire que l’on peut décomposer en trois étapes:
• Amorçage :
C’est la réaction de formation des radicaux libres R* ceux-ci peuvent se produire par
action de la chaleur ou rayonnements divers, que rompent des liaisons covalent, soit dans le
monomère lui même, soit dans les molécules d’un amorceur ajouté au monomère dans le but
de produire des radicaux libres : Amorceurs A ou monomère M
M R*
Une molécule de monomère s’additionne sur le radical en donnant un autre radical [7].
R* + M RM*
CHAPITRE I Les polymères
10
• Propagation :
Additions successives de monomères à la molécule activée, la macromolécule se forme.
Cette étape est très rapide. [11]
RM* + M RMM*
R( ) M* + M R( ) M*
• Terminaison :
De nombreux mécanismes peuvent intervenir pour arrêter la croissance des chaines. Les
plus courants sont la recombinaison et le transfert qui détruisent les centres réactifs [11].
R( ) M* + R( ) M* R( ) R
I-5-1-1-2-POLYMERISATION IONIQUE:
Dans le cas de la polymérisation ionique, la croissance de la macromolécule se fait à partir
d’espèces réactives telles que des carbocations ou des carbanions. Les composés tels que , , ,…etc. Sont des amorceurs potentiels pour la polyaddition cationique.
Les amidures, les bases, les organométalliques peuvent être utilisés comme amorceurs
anionique [11].
1- POLYMERISATION ANIONIQUE:
Les polymérisations anioniques sont aussi des polymérisations en chaine. Les centres
actifs sont des anions. La réaction de base est une attaque nucléophile de l’anion sur le
monomère, conduisant à un nouveau site anionique. Les monomères impliqués dans ce type
de polymérisation sont des oléfines ayant des substituant électroattracteurs ainsi que des
hétérocycles [17].
L'amorceur est une base (NaOH ou KOH ou un dérivé organomagnésien (ex: CH3-(CH2)n-Li )
ou un métal très électronégatif) [18].
CHAPITRE I Les polymères
11
Le processus ne comporte alors que deux étapes : la réaction d’amorçage et la réaction
de propagation.
• Amorçage:
L’amorceur réagit sur le monomère pour donner un centre actif anionique :
+ M
On notera que les chaines polymère ont ici une extrémité fonctionnalisée par l’amorceur
[17].
• Propagation :
La réaction s’écrira de façon générale : [17]
+
Si la propagation est rapide par rapport à l’amorçage, il est possible de préparer des
polymères ayant une très faible poly molécularité (Ip < 1,1) [19].
2- POLYMERISATION CATIONIQUE:
Le centre actif est un cation. Seul l’étude du monomère est intéressante en polymérisation
cationique car la polymérisation cationique est identique à l’anionique sauf que le centre actif
a changé de signe.
Le monomère de référence pour la polymérisation cationique est l’isobutylène [20].
Le mécanisme de polymérisation dépond des constituants du système monomère solvant
catalyseur, ou bien des conditions opératoires (température pureté des réactifs). Ceci explique
le très grand d’hypothèses avancées pour les différents mécanismes d’amorçage, de
propagation et terminaison [21].
• Amorçage :
On utilise généralement des acides ou des sels de cations stables pour amorcer une
polymérisation cationique [20].
CHAPITRE I Les polymères
12
Acide de Lewis :
La présence d’un système ″ amorceur-coamorceur″ donnant un complexe qui est
l’amorceur effectif de la polymérisation [17].
On utilise généralement TiCl4, SnCl4, BF3, ..., en clair tous les halogénures des métaux de
transition.
L’acide de Lewis seul ne suffit pas pour la réaction. On rajoute donc un acide fort HA
[20].
On se retrouve dans un cas particulier quand le composé protonique HA ajouté à BH3 est
H2O. On a alors l’équation :
H2O est le cocatalyseur le plus utilisé.
Sels de cations stables :
On peut utiliser des sels de cations stables ou des dérivés halogénés RX (RCl) que l’on fait
réagir sur un acide de Lewis (MXn (généralement BCl3)). Cela donne alors un carbocation.
Les réactifs les plus utilisés pour la polymérisation cationique sont RCl + MXn. [20]
• Propagation:
CHAPITRE I Les polymères
13
La propagation en polymérisation cationique, comme en polymérisation anionique, peut
donner des phénomènes complexes et difficiles à définir. Pour étudier cette propagation, on
va reprendre le monomère d’isobutylène [20].
• Terminaison :
Le seul mode de terminaison possible est unimoléculaire comme en polymérisation
anionique car deux cations ne peuvent pas se recombiner.
On observe que très rarement ce type de recombinaison covalente du cation et du contre
ion [20].
I-5-1-2-POLYMERISATION PAR ETAPE OU POLYCONDENSATION:
I-5-1-2-1-DEFINITON:
La croissance des macromolécules est le résultat des réactions chimique classique, entre
les groupements fonctionnels réactifs des monomères entre cette croissance des masses
moléculaire se produit au début de la réaction par condensation des molécules du monomère
entre elles et avec celles des polymères déjà formé, puis se poursuit principalement par des
réactions des macromolécules entre elles [22].
La polycondensation est un processus qui implique au départ un ou plusieurs portant au
moins deux groupes fonctionnels réactifs. Ces monomères réagissent entre eux pour donner
des oligomères ayant toujours des groupes fonctionnels et donc capables de réagir à nouveau.
De cette façon on forme des produits de masse molaire croissante, partante du monomère aux
dimères, trimère… etc [17].
En d’autres termes, la polycondensation peut être définie comme un processus impliquant
à chaque étape une réaction biomoléculaire entre deux groupes fonctionnels appartenant à
CHAPITRE I Les polymères
14
deux molécules différentes avec disparition d’un centre actif pour chaque molécule réactive.
La réaction générale [17] peut s’écrire :
+
I-5-1-2-2-LES GRANDES FONCTIONS DE LA POLYCONDENSATION:
La plupart des réactions de polycondensation font appel à l’attaque nucléophile d’un
doublet libre d’un alcool ou d’une amine sur l’atome de carbone d’une fonction carbonyle
(acide carboxylique ou dérivé, ester, isocyanate…) ou d’un hétérocycle (oxirane). On
retrouvera donc les réactions classiques d’estérification, amidification et ouverture
d’époxydes. On pourra aussi trouver des réactions de substitutions nucléophiles telles que
l’attaque d’un alcoolate sur un chlorure d’acide. Enfin, certaines de ces réactions sont
réversibles et l’obtention de masses élevées demande l’élimination du sous produit. Quelques
exemples [17] sont décrits ci-dessous : [17]
-Les polyesters : (UP)
Acide +alcool Ester + eau réversible
Alcool + ester Ester +alcool réversible
Chlorure d’acide +alcool Ester+ HCl non réversible
Anhydride + alcool Ester non réversible
-les polyamides et les polyimides : (PA)
Acide + amine Amide +eau réversible
Chlorure d’acide + amine Amide + HCl non réversible
Anhydride + amine Amide imide non réversible
-polycarbonates : (PC)
Alcool + phosgène carbonate
Alcool + ester carbonate [17].
I-5-1-2-3-LES TYPES DE POLYCONDENSATION:
Si les précurseurs en présence sont bifonctionnels, le polycondensat est constitué de
macromolécules linéaires ; si les molécules en présence ont une fonctionnalité supérieure à
deux, le polycondensat obtenu est tridimensionnel.
CHAPITRE I Les polymères
15
1-POLYCONDENSATION LINEAIRE:
Si les deux fonctions sont présentes sur le même précurseur on a la réaction suivante :
N-(C ) - CO OH + H NH-( ) -COOH + … - O PA
La macromolécule croit par un enchainement tête à queue pour former un homopolymère
linéaire. Si n =10 par exemple on obtient le PA 11ou Rilsan.
Si les deux fonctions sont portées par deux précurseurs différents on a la réaction
suivante.
HOOC -(C ) –CO OH +H NH –(C ) –NH +… PA 6,6
Dans ce cas, chaque précurseur possède deux fonctions identiques pouvant réagir sur
celles de l’autre pour former un copolymère alterné [11].
2-POLYCONDENSATION TRIDIMENSIONNEL:
Lorsque l’un au moins des précurseurs possède plus de deux fonctions ou deux sites
réactifs, la macromolécule formée n’est plus linéaire. Au cours de la croissance des chaines,
des réticulations ou pontage apparaissent conduisant à un réseau tridimensionnel. Ainsi la
polycondensation entre le formol et le phénol, précurseur trifonctionnel, conduit à un réseau
complexe [11].
I-5-2-LES TECHNIQUES DE POLYMERISATION:
Quel que soit le type de polymérisation, polyaddition ou polycondensation, la synthèse
industrielle des polymères est effectuée selon quatre méthodes principales connue sous les
noms de polymérisations en masse, en solution, en suspension et en émulsion. Les procédés
en masse, en solution ou en milieu fondu sont très souvent des procédés monophasiques alors
que les procédés en suspension, en émulsion, les polycondensations interfaciales et les
polymérisations haute pression sont des procédés multiphasiques [11].
I-5-2-1-POLYMERISATION EN MASSE:
Les réactions de polymérisation réalisées à partir de monomères purs, liquide ou gazeux,
sont appelées polymérisations en masse. Au cours de telles réactions, le milieu réactionnel est
constitué de molécules monomères, de macromolécules ainsi que, généralement, de molécules
d’amorceur [15].
Le système réactionnel est constitué:
CHAPITRE I Les polymères
16
-soit du monomère pur en présence de son seul système d’amorçage s’il s’agit d’une
polymérisation en chaine ;
-soit des deux monomères fonctionnels X A X et Y B Y s’il s’agit d’une
polymérisation par étape.
La réaction peut être conduite avec ou sans agitation du milieu, en phase homogène ou
hétérogène suivant la solubilité ou l’insolubilité du polymère dans son propre monomère
[12].
La polycondensation en masse permet d’obtenir un polymère directement utilisable qui ne
contient pas de sous-produit ni de solvant. Cependant les temps de réaction sont élevés.
Dans le cas des réactions de polyaddition, le procédé en masse conduit à des polymères de
masses moléculaires élevées ayant de bonnes propriétés mécaniques mais le dégagement
thermique est important ce qui rend difficile le contrôle de la réaction et la polymérisation de
grandes quantités de monomère [11].
I-5-2-2-POLYMERISATION EN SOLUTION:
La polymérisation en solution est effectuée cette fois en présence d’un solvant du
polymère, dont le rôle essentiel est des permettre un contrôle de dégagement thermique lors
de la réaction [12].
En polycondensation le mélange de départ comprend des précurseurs, le ou les catalyseurs,
un solvant ou des mélanges de solvant. Suivant la solubilité des monomères, du polymère et
du catalyseur dans le solvant, la réaction se déroule en phase homogène ou hétérogène.
Pour la réaction de polyaddition, suivant que le polymère et le catalyseur sont soluble ou
insoluble dans le milieu réactionnel [11].
I-5-2-3-POLYMERISATION EN SUSPENSION:
Il est essentiellement utilisé dans le cas des polyadditions radicalaires. Le monomère est
insoluble dans un milieu dispersant, l’eau en générale et le système non colloïdal. Le
monomère forme une suspension de gouttelettes de diamètre variant entre 10 et 100 µm.
l’amorceur n’est soluble que dans le monomère et chaque gouttelette de la suspension peut
être considérée comme un système isolé de polymérisation en masse [12,11].
CHAPITRE I Les polymères
17
Ce procédé est industriellement utilisé pour le styrène radicalaire du polystyrène
expansible, ou encore pour celle du poly (chlorure de vinyle), méthode la plus importante en
tonnage [12].
I-5-2-4-POLYMERISATION EN EMULSION:
Les procédés en émulsion sont surtout utilisés dans le cas des réactions de polyaddition.
Comme la polymérisation en suspension, le monomère est dispersé dans l’eau, est maintenu
sous forme d’émulsion micellaire grâce à un agent tensioactif et à une agitation énergique
[11,15].
L’avantage principal du procédé de polymérisation en émulsion réside dans la possibilité
d’obtenir, simultanément, des masses molaires relativement élevées pour des vitesses de
réaction élevées.
Il est utilisé pour synthétiser le poly (chlorure de vinyle PVC), le copolymère acrylonitrile-
butadiène- styrène (ABS) à partir de l’acrylonitrile, du polybutadiène et du styrène [15].
LES POLYAMIDES
CHAPITRE II les polyamides
18
II-1- INTRODUCTION:
Les principaux polymères sont classés par familles chimique, suivant leur importance
commerciale décroissante (tonnage produit ou consommé), matière thermoplastique d’une
part, matières thermodurcissables d’autre part [24].
Les polyamides (Le nylon) fait partie de la famille des thermoplastiques, composés
formables à chaud sans modification chimique et de façon réversible [25].
II-2-CAPROLACTAME:
II-2-1-DEFINITION:
Le caprolactame est un solide cristallin fondant à environ 69°C. La capacité mondial de
production de ce monomère est de l’ordre de 3,5Mt /an. Le nom donné à cette substance
vient du nom de l’acide n-hexylique appelé acide caproïque. Le -caprolactame est l’amide
cyclique ou lactame de cet acide [11].
On pute préparer le caprolactame par une transposition de Beckmann de l’oxime de la
cyclohexanone [26].
II-2-2-MATIERES PREMIERES:
Les matières premières nécessaires à la production du caprolactame sont la
cyclohexanone, le chlorohydrate d’hydroxylamine et l’acide sulfurique. La cyclohexanone
est essentiellement produite par oxydation du cyclohexane et déshydrogénation du mélange
cyclohexanol-cyclohexanone obtenu [11].
Tous les procédés sauf un oxaminé plus loin passent par l’intermédiaire de la
cyclohexanone, transformée ensuite en oxime, puis en lactame [27].
II-2-3-APPLICATIONS:
L’application pratiquement exclusive du caprolactame est la fabrication du nylon 6
qu’est un polyamide. La réaction de polymérisation résultant de l’ouverture du cycle sous
l’influence de la température [11].
II-3-LES POLYAMIDES:
II-3-1- DEFINITION:
CHAPITRE II les polyamides
19
Les polyamides (PA) sont des polymères semi-cristallins ou amorphes dont la formule
chimique contient de façon régulière la fonction amide –(CO–NH) dans la chaine carbonée
[30].
Ces polymères sont obtenus par polyaddition à partir d’amino-acides, ou par
polycondensation à partir de diamines et de diacides [28].
Les polyamides linéaires, communément appelés « nylons » et brevetés à l'origine par
la marque commerciale DuPont, constituent la catégorie la plus répandue de cette famille
de composés [5].
L’historique raconte que nylon est un acronyme issu de la contraction de New York
pour ny et London pour lon les deux villes où le matériau étant soi-disant produit. On
trouve également des documents qui décomposant nylon en nyl tiré de famille des
vinylique dont il ne fait pas parti. Le suffixe on viendrait du mot américain cotton pour se
rapprocher phonétiquement des fibres du coton [31].
II-3-2-LES FAMILLES CHIMIQUES DE POLYAMIDE:
• homopolyamides aliphatiques :
Poly (caprolactame) PA6
Poly (hexaméthylène adipamide) PA6-6
Poly (hexaméthylène sébaçamide) PA6-10
Poly (lauroamide) PA12
Poly (tétraméthylène adipamide) PA4-6
• Polyamides semi-aromatique
Poly (métaxylyléne adipamide) PA MXD-6
Poly (hexaméthylène isophtalamide) PA6-I
• Polyamides aromatiques ou aramides
• Copolyamides [24].
II-3-3- LES TYPES DES POLYAMIDES: II-3-3-1-LES POLYAMIDES DE TYPE AA-BB:
Les polyamides de type AA-BB résultent de la polymérisation de diamine (AA) et
d'acide dicarboxylique (BB).
CHAPITRE II les polyamides
20
Le polyamide 66 :
Est le plus produit de ce type le plus répandu. « 66 » correspond ici aux 6 atomes de
carbone des deux groupes d'acides aminés de la diamine et aux 6 atomes de carbone de
l'acide dicarboxylique [5].
La réaction de base 1.6 - hexanediamine et acide adipique est présentée à la figure II-1
Figure II-1: Réaction de base des polyamides de type AA-BB
Le polyamide 66 est fabriqué par polymérisation du sel de nylon (monomère) en
solution. Il existe deux procédés de production :
• par polymérisation continue
• par polymérisation discontinue [5].
II-3-3-2-LES POLYAMIDES DE TYPE AB :
Ces polyamides résultent de la polymérisation de lactames ou acides ω-aminés, où A est
le groupe d'acides aminés et B le groupe d'acides carboxyliques ; les deux appartenant à la
même molécule de monomère.
Le polyamide 6 (PA6) :
Constitue le principal produit de ce groupe, où « 6 » correspond au nombre d'atomes de
carbone du monomère d'origine (dans ce cas, le ε-caprolactame) [5]
La réaction de formation de nylon 6 est une réaction de polycondensation car il y a
élimination d’une molécule d’eau par formation d’un motif [23].
La réaction de base (de ε-capro-lactame) est présentée à la figure II-2.
CHAPITRE II les polyamides
21
Figure II-2 : Réaction de base des polyamides de type AB
Le polyamide-6 compte parmi les plus utilisés en raison de la disponibilité importante
de matières premières (caprolactame), de la vaste gamme d'applications et de sa facilité de
production, de transformation et de recyclage, qui font de lui un produit à la fois simple
d'utilisation et économiquement viable [5].
II-3-4- PROPRIETES DES POLYAMIDES:
-Les liaisons hydrogène :
Interactions électrostatiques entre un atome d’hydrogène lié un atome fortement
électronégatif (N) et un groupement polaire comportant un atome fortement électronégatif
(O), sont très énergétiques car elles font intervenir des moments dipolaires importants, aux
très faibles distances interpolaires liées à la petite taille des atomes mis en jeu.
-transparence :
Des PA amorphes transparents présentant une bonne résistance à la fissuration sous
contrainte au contact de produits chimiques sont disponibles industriellement [29].
-les avantages :
• tenue aux chocs, à fatigue et fissuration sous charge
• résistance à l’abrasion, insensible au rayage
• faible coefficient de frottement
• bonne tenue aux hydrocarbures et aux solvants
-les inconvénients :
• Teneur en eau non négligeable (sauf PA11 et 12)
• Perméabilité à la vapeur d’eau
CHAPITRE II les polyamides
22
• Mauvaise tenue à la chaleur humide et en atmosphère desséchée [28].
10 g de ε- caprolactame sont placés dans un bécher de 25 ml contenant des petits
morceaux de sodium (approximativement 0.01 g). On utilise une tige de verre pour remuer
le mélange réactionnel. La fonte du mélange se produit avec la flamme réduite de brûleur.
Après la liquéfaction des matériaux, on porte le mélange à ébullition. La masse fondue
brun-foncé est refroidie pendant 5 minutes. Le mélange deviendra beaucoup plus visqueux.
Des fibres sont dessinées en plongeant une tige de verre dans le polymère et en extrayant
rapidement le matériel de solidification du bécher.
Figure III-5: Montage de la réaction du nylon
III-4-2-CARACTERISATION DU SODIUM:
-Le sodium réagit violemment avec de l'eau, libérant et mettant à feu l'hydrogène.
-Solide inflammable.
-Dommages sérieux aux yeux.
CHAPITRE III partie expérimentale
30
III-5-CONCLUSION:
Dans ce chapitre, nous avons présenté le matériel expérimental qu’on utilisé, le mode
d’opératoire de l’oxime et de caprolactame avec les rendements obtenus, puis la synthèse
de polymérisation de caprolactame qui conduit au nylon-6.
LES RESULTATS ET DISCUSSIONS
CHAPITRE IV résultats et discussions
31
IV-1-INTRODUCTION:
Ce chapitre présente tous les résultats de la polymérisation du caprolactame issus de
l’étude menée expérimentalement ainsi que leur discussion. L’identification des produits
est réalisée entre autres à l’aide des spectroscopies IR et UV.
IV-2-SYNTHESE DE L’OXIME DE CYCLOHEXANONE:
IV-2-1-CARACTERISATION DE CYCLOHEXANONE:
Infrarouge: le spectre IR du cyclohexanone (figure IV-1) indique la présence des pics
suivants:
γ = 1712 cm correspond à la vibration de valence de carbonyle C=O de
la fonction cétone.
γ = 2937 cm correspond à la vibration de valence de liaison C-H
γ = 1222 cm correspond à la vibration de liaison C-C
γ = 1450 cm correspond à la vibration de déformation CH
Spectre UV: l’analyse par spectre UV de cyclohexanone (figure IV-2) donne une
longueur d’onde maximale égale à 240 nm, et l’intensité de l’absorption A=3,913
CHAPITRE IV résultats et discussions
32
Cyclohexanone
Figure IV- 1 : spectre IR du cyclohexanone
CHAPITRE IV résultats et discussions
33
Cyclohexanone
Figure IV-2 : spectre UV de cyclohexanone
CHAPITRE IV résultats et discussions
34
IV-2-2-LA SYNTHESE DE L’OXIME:
• La réaction globale : Le schéma IV-1 présente un procédé de fabrication du l’oxime à partir de
cyclohexanone (l’oximation).
− , Cyclohexanone chlorohydrate oxime
D’hydroxylamine
Schéma IV-1
• Mécanisme:
O
cyclohexanone amine proégée déprotection avec
base
N+
HOH H
O-
OHNH OH
N OH
cyclohexanone oxime
O
O-CH3 Na
+,
NH2 OH
OH NH3+
,Cl
OH2
Schéma IV-2
CHAPITRE IV résultats et discussions
35
IV-2-3-CARACTERISATION DE L’OXIME:
L’oxime obtenue est sous forme des cristaux blancs de point de fusion égal à 86°C et le
rendement est de 92%.
1-LE FACTEUR DE RETENTION:
Toutes les substances n'étant pas forcément visibles à la lumière du jour, il faut
procéder à la révélation (mise en évidence des espèces chimiques sur la plaque). Pour cela,
il est possible d'utiliser des lampes UV (λ= 254 nm) qui réagissent avec les substances et
forment des taches colorées sur le plaque à l'emplacement des substances chimiques
recherchées.
Dans ce cas on utilise cette méthode de détection en priorité car elle n'endommage pas
la plaque. On commence par placer la plaque sous une lampe UV. La plaque apparaît en
vert fluorescent et les produits qui absorbent les UV apparaissent sous forme des taches
sombres, (la figure IV-3).
Lampe UV
D
d
Figure IV-3 : plaque CCM du l’oxime
On marque le point du front de l’éluant D = 4,1 cm (là où l’éluant s'est arrêté de
migrer). La hauteur de la tache d est égale à 2,3 cm (hauteur de migration du produit de
réaction).
Pour procéder à l'identification de l’oxime par chromatographie, on compare sa
migration à celle de l’éluant utilisé CH2Cl2. Le calcul du facteur de rétention donne:
CHAPITRE IV résultats et discussions
36
= = ,, = 0,56
La distance de migration des produits dépend de leur affinité avec la phase stationnaire
et la phase mobile.
2- INFRA ROUGE :
L’analyse de spectre IR du l’oxime (figure IV-4) indique la présence des bandes
d’adsorption suivant :
γ = 2933 cm correspond à la vibration de valence de liaison C-H
γ = 1224 cm correspond à la vibration de liaison C-C
γ =1448 cm correspond à la vibration de déformation CH
γ = 3112 cm correspond à la vibration de valence de liaison O-H, un bande large.
γ =962 cm correspond à la vibration de valence de liaison N-O
γ =1664 cm correspond à la vibration de valence de liaison C=N
Oxime
Figure IV-4 : spectre IR d’oxime
CHAPITRE IV résultats et discussions
37
Tableau IV-1 :l’analyse de spectre IR du l’oxime
L’analyse du spectre infra rouge du l’oxime montre la disparition de la bande
(1712 cm ) caractéristique de groupe carbonyle (C=O), et la persistance des autres
bandes observées sur le spectre IR du cyclohexanone, avec apparition des bandes
(3112 cm ), (1664 cm ) et (962 cm ) caractéristique des groupements OH, C=N et
N-O. ce qui confirme la réalisation de la réaction de cyclohexanone dans chlorohydrate
d’hydroxylamine.
3-SPECTRE UV: l’analyse par spectre UV de l’oxime (figure IV-5) donne une
longueur d’onde maximale égale à 233 nm, et l’intensité de l’absorption A=2,768
IV-3-SYNTHESE DE CAPROLACTAME:
IV-3-1-REACTION DE CAPROLACTAME:
• La réaction globale : L’oxime de la cyclohexanone est soumise à l’action à l’action de l’acide sulfurique très concentré et subit la transposition de Beckmann (Schéma IV-3)