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Cycle de vie des matériaux

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​Introduction :

Ce cours traite des matériaux, et plus précisément sur leur cycle de vie.

Dans un premier temps, nous étudierons les différentes étapes de la vie des matériaux. Puis, dans une seconde partie, nous verrons deux exemples de matières qui nous entourent au quotidien : le métal et le plastique.

Les phases de vie des matériaux

Les matériaux sont semblables à des organismes vivants : eux aussi naissent, vivent un certain temps tout en évoluant jusqu’à mourir.

L’élaboration

Rares sont les éléments qui peuvent être utilisés ou mis en contact avec les consommateurs sans traitement préalable. Certains matériaux ne peuvent s’obtenir qu’à la suite d’un traitement physico-chimique des matières premières qui le composent.

Par ailleurs, les produits finis doivent répondre à des exigences techniques qui suivent un règlement précis encadré par la juridiction de chaque pays. Ces directives ont pour objectif d’assurer la sécurité de l’usager, sa santé, ou encore de protéger l’environnement.

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À retenir

L’élaboration est la phase qui précède la production du matériau.

Le vieillissement

Un matériau vieillit au contact de son environnement immédiat qui lui impose des contraintes. Les échanges chimiques permanents avec le milieu extérieur laissent des marques. Certains matériaux sont plus sensibles que d’autres à certains phénomènes : cela dépend de leur nature.

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Exemple

La composition des matériaux est couramment affectée par la corrosion. C’est ce principe qui explique par exemple l’apparition de rouille sur le fer.

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Définition

Corrosion :

La corrosion est l’oxydation du métal en présence du dioxygène de l’air.

Il convient d’anticiper ces modifications :

  • soit pour évaluer le temps de vie d’un produit ;
  • soit pour assurer sa protection et ainsi bénéficier d’une durée d’existence plus longue.

La fin de vie

Un produit peut arriver en fin de vie pour plusieurs raisons :

  • parce qu’il a rempli sa fonction (une bouteille en plastique vide par exemple) ;
  • ou parce qu’il n’est plus en état de remplir sa fonction (matériel devenu obsolète ou abimé).

Il existe à ce stade trois traitements possibles :

  • le matériau est recyclé pour être à nouveau utilisé comme matière première ;
  • le matériau est éliminé et revalorisé ; on peut par exemple transformer un pneumatique en poudre de granulat pour réaliser un revêtement à faible émission sonore, ou encore utiliser du bois pour se chauffer. On parlera alors de revalorisation énergétique ;
  • dernier cas, les déchets sont enfouis sur un site de stockage (75 % du volume des déchets enfouis est constitué de nos ordures ménagères).

Stockage des déchets et durée de dégradation physique-chimie terminale Stockage des déchets et durée de dégradation

Mais enfouir les déchets ne fait que masquer le problème : certains matériaux comme le verre ou le polystyrène mettent plus de 1 000 ans à se dégrader.

Les métaux

Élaboration

Les métaux que l'on rencontre au quotidien ne se trouvent pas sous cette forme à l’état naturel. Ils proviennent du minerai qui à l’état naturel est une combinaison chimique entre du métal et une roche stérile appelée gangue.

La méthode utilisée pour obtenir du métal pur dépend du type de composé mais consiste toujours en une réduction chimique par pyrométallurgie ou hydrométallurgie.

  • La pyrométallurgie, qui emploie de très hautes températures, est aussi appelée « traitement par voie sèche ».
  • Par opposition, l’hydrométallurgie, qui consiste à mettre le minerai en solution, est le « traitement par voie humide ». Cette opération permet d’obtenir un oxyde, un carbonate, un sulfure ou un halogénure.

Une fois les roches stériles mises de côté, on peut affiner le métal pour en retirer les impuretés.

Vieillissement

Tous les métaux subissent un effet de corrosion, à l’exception de l’or (ce qui explique en partie son statut de métal le plus précieux).

Le cuivre se transforme en vert-de-gris au contact du dioxygène de l’air (la statue de la Liberté lui doit sa couleur). Cette couche oxydée est imperméable.

  • La corrosion reste donc superficielle puisque son arrivée empêche le matériau de vieillir en profondeur.

Ce même principe est suivi par l’argent qui se noircit en superficie, ou par le zinc et l’aluminium qui se ternissent légèrement.

En revanche, le fer, au contact de l’eau et du dioxygène, forme de la rouille, qui est poreuse.

  • Ce processus se poursuit donc jusqu’à disparition complète du métal d’origine.

En fonction des caractéristiques du milieu (teneur en gaz, en eau, et pH) on préférera donc certains alliages à d’autres, ou on leur imposera un traitement pour les isoler et les maintenir en bon état plus longtemps.

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À retenir

Pour isoler un matériau, on peut utiliser un vernis ou une protection cathodique : pour cela on se sert d’une anode pour réagir avec l’oxydant à la place du métal protégé.

  • On parle alors d’anode sacrificielle, c’est le cas du zinc que l’on dépose par électrolyse sur le fer.

Fin de vie

  • Les métaux courants sont très bien recyclés, puisque plus de 50 % de la masse introduite au recyclage devient à nouveau fonctionnelle.
  • Les métaux rares sont quant à eux, très mal récupérés, soit parce qu’il n’est pas rentable de procéder à ce traitement, soit parce que leur niveau de pureté après recyclage est insuffisant pour qu’ils puissent être réemployés.

Les plastiques

Élaboration

Les matières plastiques sont constituées de macromolécules que l’on appelle des polymères. Ils sont obtenus par transformation chimique à partir de monomères carbonés issus du gaz naturel ou du pétrole.

Formules développées du chlorure et polychlorure de vinyle (PVC) physique-chimie terminale Formules développées du chlorure et polychlorure de vinyle (PVC)

Vieillissement

Les matières plastiques sont, au même titre que les métaux, sensibles aux contraintes extérieures. Ces contraintes peuvent être d’ordre mécanique, thermique ou encore chimique.

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Astuce

On peut allonger la durée de vie du plastique en y incorporant un antioxydant lors de la fabrication.

Fin de vie

Malgré notre volonté actuelle de recycler le plastique, la majorité du matériau récupéré est incinérée. Il est difficile de recycler correctement les différents polymères, qui doivent subir en fonction de leur composition des traitements très différents. Certains sont revalorisés par incorporation dans des soubassements routiers.