SILLY PUTTY® et SLIME®

Plan de l'étude

"Déjà commercialisées dans les années 1950 les pâtes Slime® et Silly Putty®. ont fait leur retour aux États-Unis fin 2016 et sont devenues en France les gadgets stars de la cour de récréation au début de l’année 2017. Cette tendance s’est muée aux États-Unis en un phénomène de société : une simple recherche sur internet permet de trouver des tutoriels pour en fabriquer soi-même. L'engouement est tel que la colle transparente Elmer's® ingrédient clé de la « recette maison », s’est trouvée aux États-Unis en rupture de stock dans plusieurs enseignes malgré une augmentation significative de sa production (…….).

Ce jouet emblématique est né de la recherche sur les polymères synthétiques. En 1943, James Wright, ingénieur de General Electric, cherchant à découvrir un substitut de caoutchouc synthétique alors en pénurie, a ajouté de l'acide borique à de la silicone et découvert que le produit obtenu pouvait s’étirer tel le caoutchouc. On raconte que Wright, tellement heureux de sa découverte, a jeté la pâte obtenue au sol et a alors constaté avec surprise qu’elle rebondissait ! Peter Hodgson en a vu le potentiel de jouet et a acheté les droits de production. En 1949, cette matière a été commercialisée sous le nom de Silly Putty®.et s'est vendue, à l'époque, plus rapidement que tout autre jouet dans l'histoire, avec des ventes totalisant plus de six millions de dollars au cours de cette année." (Extrait d'un sujet de concours général des Lycées SPCL (classe de terminale STL) session 2018).

2) Le Silly Putty®

Le Silly Putty® est un exemple connu de matériau viscoélastique : il s’étale comme un liquide au repos, et rebondit lorsqu’il est projeté sur le sol. Le Silly Putty® peut également être brisé en plusieurs fragments en le frappant suffisamment fort avec un marteau ".

Son nom veut dire littéralement "mastic idiot" on le traduira par "pâte à modeler".

2-1) Composition –obtention

Le composé le plus important du silly putty est le polydiméthylsiloxane (PDMS) dont le motif est

Les groupements terminaux de la chaîne étant des triméthylsiloxyles

Soit pour le polymère

C'est le membre le plus simple de la famille des polymères connus sous le nom de silicones.

La viscosité du PDMS dépend de sa masse molaire donc de son degré de polymérisation ; Il peut avoir la viscosité de l'eau, mais peut aussi se présenter comme une gomme.

A des masses molaires élevées, les chaînes de polymère deviennent lâches ce qui contribue à sa viscoélasticité.

Mais la présence de PDMS et sa viscoélasticité n'expliquent pas à elles seules le comportement du silly putty ; un autre ingrédient, l'acide borique, intervient :

Si on fait réagir du PDMS sur de l'acide borique à 200°C, les chaînes de PDMS sont coupées et des fragments issus de l'acide borique deviennent des groupes terminaux des polyborosiloxanes formées :

Des ponts s'établissent alors entre les chaînes de polyborosiloxane comme indiqué ci-dessous :

Ces liaisons contribuent à donner à la pâte à modeler sa nature malléable mais aussi à la rendre plus facile à manipuler.

Une déformation lente donne à ces réticulations le temps de se rompre et de se reformer, ce qui permet un écoulement visqueux, ce qui n'est pas le cas d'une déformation rapide et énergique qui conduit à un comportement élastique.

2-2) Préparation du PDMS

Le polydiméthylsiloxane (PDMS) est obtenu en hydrolysant le dichlorodiméthylsilane

Selon l'équation

Remarque :

Le dichlorodiméthylsilane est lui-même obtenu à partir du silicium et du chlorométhane par une réaction de Müller-Rochow :

Le chlorométhane étant lui-même produit par réaction de l'acide chlorhydrique recyclé (celui provenant de l'hydrolyse du dichlorodiméthylsilane) sur le méthanol.

3) Le Slime®

3-1) Propriétés

Le Slime (littéralement substance visqueuse, gluante) a sensiblement les mêmes caractéristiques rhéologiques que Silly putty, à savoir qu'il s'agit d'un fluide (gel) non Newtonien, rhéoépaississant (il s'épaissit sous la contrainte, lorsqu'on appuie dessus par exemple), par opposition à rhéofluidifiant (qui devient liquide sous la contrainte, propriété que possèdent par exemple certaines encres gels).

Cela lui donne des propriétés non habituelles de la matière :

- Sans contrainte, il coule et on peut si on le manipule avec précautions obtenir un film mince.

- Si on le manipule sans ménagement il forme un bloc et se casse.

- En penchant le contenant dans lequel il se trouve, puis en redressant celui-ci, il continue à couler et se répartit en cercle sur une surface plane.

3-2) Obtention

Gel obtenu par réticulation de l'alcool polyvinylique (PVA) de masse molaire 100 000 Da au minimum et qui correspond à une hydrolyse du polyacétate de vinyle d'au moins 95%, par le borax (Na₂B₄O₇, 10 H₂O).

Des liaisons hydrogène s'établissent entre les doublets d'électrons des atomes d'oxygène du borax au centre et les atomes d'hydrogène des groupes alcool des chaînes de PVA au dessus et au dessous.

En fonction des contraintes mécaniques que subit le Slime®, ces liaisons se rompent ou s'établissent modifiant sa viscosité.

Une recette pour le préparer :

- Dissoudre 4g de PVA (Masse molaire Supérieure à 100 000g/mol) dans 100mL d'eau à 80°C et agiter jusqu'à obtenir une solution homogène.

- Préparer une solution saturée de borax (400mg de borax dans 10 mL d'eau). Ajouter un colorant alimentaire.

- Quand les deux solutions sont à température ordinaire verser lentement la solution de borax dans celle de PVA en agitant avec un agitateur. Il y a une prise en masse. Continuer à agiter en écrasant sur les bords du bécher puis mélanger vigoureusement jusqu'à obtention d'une pâte gluante mais non collante.

(Recette provenant du site de ressources en chimie pour les enseignants de l'Ecole Normale Supérieure http://culturesciences.chimie.ens.fr/content/synth%C3%A8se-de-mat%C3%A9riaux%C2%A0-le-slime).