Les matériaux organiques

D’origine naturelle ou synthétique, les matériaux organiques proviennent tous d’êtres vivants. Quelles sont leurs propriétés ? Quels objets nous permettent-ils de fabriquer ?

Qu’est ce qu’un matériau organique ?

Les matériaux organiques sont principalement constitués d’atomes de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote (C, H ,0 ,N). 

Il peut être d’origine :

  • végétale (comme le bois, le papier ou le latex);
  • animale (comme le cuir ou la laine);
  • synthétique (comme les matières plastiques synthétisées à partir de pétrole).

Les principales caractéristiques des matériaux organiques

Les matériaux organiques sont surtout utilisés pour leurs caractéristiques telles que leur légèreté ou leur élasticité afin d’apporter des solutions techniques.

La masse volumique ou densité

Souvent exprimée en kg/m3 ou en g/cm3, la masse volumique des matériaux organiques peut énormément varier. Cependant ils sont bien plus légers que les métaux.  Par exemple, 0,02 g/cm3 pour la laine ou 1,41 g/cm3 pour le PVC. Les matériaux organiques peuvent donc être considérés comme des matériaux relativement légers.

1,41

g/cm³

PVC

1,14

g/cm³

Nylon

1

g/cm³

Caoutchouc

0,02

g/cm³

Laine

L’élasticité

C’est la résistance d’un matériau à l’étirement sans se rompre. On mesure la pression en GigaPascal(GPa) à partir de laquelle le matériau commence à se déformer lorsqu’il est étiré. On appelle ça aussi le module de Young ou le module d’élasticité. Plus la valeur est petite et plus le matériau est élastique.

4

GPa

PVC

3,5

GPa

Polyesters

1,9

GPa

Nylon

0,004

GPa

Caoutchouc

Les matériaux organiques d’origine végétale

Les matériaux d’origine végétale sont obtenus à partir de plantes (arbres, arbustes, fleurs…).

Bois

Le bois est un matériau naturel dont les caractéristiques varient en fonction de l’espèce d’arbre. Il peut être très tendre (peuplier, bouleau …) ou très dur (chêne, acacia,…). De plus, il est facile à usiner mais difficile à déformer. On l’utilise surtout dans le bâtiment ou la fabrication de mobilier.

Caractéristiques du chêne

Masse volumique : 0,8 g/cm³
Température max : 250°C
Module d’élasticité : 13 GPa
Applications : Bâtiment, mobilier, menuiserie…
Avantages : Facile à usiner, isolant thermique, durable et écologique.
Inconvénients : Inflammable, sensible à l’humidité, traitement nécessaire.

Caractéristiques du bambou

Masse volumique : 0,7 g/cm³
Température max : 250°C
Module d’élasticité : 22,5 GPa
Applications : Ustensiles, mobilier, objets, vêtements (viscose)…
Avantages : Durable, écologique, absorbant, anti-UV, antibactérien.
Inconvénients : Inflammable, traitement nécessaire.

Papier ou carton

Le papier est une matière fabriquée à partir de fibre de cellulose végétale. Jusqu’au 19ème siècle, la fibre de cellulose est obtenue à partir de lin, chanvre ou coton. Aujourd’hui, la pâte à papier est obtenue à partir de bois et de multiples traitements chimiques pour en extraire la fibre de cellulose. On utilise surtout le papier pour l’écriture, le dessin, l’impression ou l’emballage.

Masse volumique : 0,73 g/cm³
Température max : 230°C
Module d’élasticité : 3 à 4 GPa
Applications : Livres, écriture, dessin, impression, emballage…
Avantages : Léger, polyvalent, économique, durable, écologique, recyclable.
Inconvénients : Inflammable, sensible à l’humidité.

Fibre : substance filamenteuse susceptible d’être filée et tissée.

Cellulose : Matière contenue dans la membrane des cellules végétales, utilisée dans la fabrication de papier, de textiles et d’explosifs.

Coton

Le coton est une fibre végétale qui provient d’un arbuste appelé cotonnier. Ses fruits sont des capsules contenant des graines et des fibres blanches. Ensuite, les fibres sont transformées en fils de coton dans une filature et sont exploitées comme textile. On utilise surtout le coton pour les vêtements, les draps et le linge de toilette.

Masse volumique : 1,5 g/cm³
Applications : Vêtements, linge…
Avantages : Léger, résistant, absorbant, souple.
Inconvénients : Peu isolant, inflammable, se froisse, sensible aux acides.

Les matériaux organiques d’origine animale

Les matériaux d’origine animale sont obtenus à partir d’animaux (généralement de bovidés, de porcins, de cervidés, d’ovins…), de reptiles (serpents, crocodiles…) ou de poissons (requins, raies…).

Cuir

Le cuir est une peau d’animal qui a été traitée (tannée). On peut faire du cuir à partir des peaux d’animaux tels que la vache, le mouton, la chèvre, le crocodile, le serpent ou même l’autruche. En fonction de sa provenance et de son tannage, le cuir porte des noms différents : la basane (peau de mouton tannée) ; le maroquin (peau de chèvre tannée) ; le vélin (peau de veau mort-né), le parchemin (peau de mouton tannée destinée à l’écriture)… Le cuir est utilisé dans l’habillement pour confectionner des vêtements et des accessoires, dans l’armurerie et l’ameublement (canapés).

Masse volumique : 0,86 g/cm³
Applications : Vêtements, accessoires, armurerie, ameublement…
Avantages : Souple, résistant.
Inconvénients : Sensible à l’eau, sensible au soleil, doit être entretenu.

Tannage : Ensemble de traitements chimiques pour transformer une peau brute en cuir.

Laine

La laine est un matériau d’origine animale constituée de fibres de kératine. On appelle “laine” les poils du mouton, “cachemire” ou “mohair” les poils de chèvre et angora les poils de lapin. La laine est surtout utilisée dans la production textile, ou dans le bâtiment pour ses capacités d’isolation thermique.

Masse volumique : 0,020 g/cm³
Applications : Vêtements, isolation thermique, ameublement…
Avantages : Souple, résistante, bonne absorption d’humidité, peu inflammable.
Inconvénients : Sensible au chlore, sensible au soleil.

Os

L’os a servi dès la Préhistoire à fabriquer des petits outils (aiguilles, hameçons). Plus tard, l’ivoire prélevé sur les défenses d’éléphants a également servi à confectionner des petits objets comme des boules de billard. L’ivoire était très cher et son commerce est désormais illégal ! C’est un matériau qui appartient au passé et qui est à l’origine de la première matière plastique : le celluloïd.

Masse volumique : 1,9 g/cm³
Applications : Accessoires, touches de piano, boules de billard.
Avantages : Dur, solide, facile à modeler.
Inconvénients : Cassant sous l’effet de la chaleur.

Les matériaux synthétiques

Les matériaux synthétiques sont des matériaux créés à partir de procédés chimiques. Ils ont été élaborés pour remplacer certains matériaux organiques naturels en pénurie. La galalithe a ainsi remplacé l’ivoire au début du 20ème siècle pour fabriquer des boutons ou des touches de piano. La majorité de ces matériaux sont obtenus à partir de pétrole et leur production a connu un développement très important lors du 20ème siècle avec la pétrochimie.

Les matériaux synthétiques sont répartis en plusieurs catégories :

  • les polymères thermoplastiques (ABS, PET, PVC…) ;
  • les polymères thermodurcissables (Bakélite, polyesters, époxy…),
  • les élastomères (Caoutchouc, silicone, polyuréthane…) et
  • les bioplastiques (PLA, polyamide 11, galalithe, celluloïd…).

Les polymères thermoplastiques

Les polymères thermoplastiques se déforment sous l’effet de la chaleur et gardent leur forme en refroidissant.. Cette propriété réversible leur permet d’être recyclables. Les thermoplastiques les plus utilisés sont les suivants :

ABS – Acrylonitrile butadiène styrène

Formule chimique : (C8H8·C4H6·C3H3N)n
Invention : 1946 (ABS Monogramme – USA)
Masse volumique : 1,03 à 1,08 g/cm³
Température d’utilisation : -40 à +110°C
Module d’élasticité : 2 GPa
Applications : Jouets Lego, impression 3D, meubles, électroménager…

PA 6 – Polyamide (Nylon)

Formule chimique : (C6H11NO)n
Invention : 1935 (Du Pont de Nemours – USA)
Masse volumique : 1,14 g/cm³
Température d’utilisation : -40 à +120°C
Module d’élasticité : 2,9 GPa
Applications : Automobile, électronique, parachutes, habillement…

PE – Polyéthylène

Formule chimique : (C2H4)n
Invention : 1933 (E.W. Fawcett et R.O. Gibson – Angleterre)
Masse volumique : 0,93 g/cm³
Température d’utilisation : -20 à +115°C
Module d’élasticité : 0,15 GPa
Applications : Bouteilles, films d’emballage…

PMMA – Polyméthacrylate de méthyle

Formule chimique : (C5O2H8)n
Invention : 1927 (Plexiglas par Otto Röhm – Allemagne)
Masse volumique : 1,19 g/cm³
Température d’utilisation : -40 à +85°C
Module d’élasticité : 3 GPa
Applications : Hublots d’avion, panneaux, vitres…

PVC – Polychlorure de vinyle

Formule chimique : (C2H3Cl)n
Invention : 1927 (USA & Allemagne)
Masse volumique : 1,41 g/cm³
Température d’utilisation : -30 à +60°C
Module d’élasticité : 0,35 à 3 GPa
Applications : Disques, tuyaux, menuiserie…

Les polymères thermodurcissables

Les polymères thermodurcissables se forment définitivement après leur élaboration chimique qu’on appelle polymérisation. Obtenus à partir d’une résine thermodurcissable, ils sont souvent rigides, cassants, ne peuvent se dissoudre (insolubles) et ne peuvent fondre (infusibles). On retrouve parmi les thermodurcissables :

La Bakélite (phénoplastes)

Invention : 1909 (Leo Baekeland)
Masse volumique : 1,3 g/cm³
Module d’élasticité : 4 GPa
Applications : Isolants électriques, boîtiers, poignées de casserole.

Le polyester

Invention : 1941 (John Rex Whinfield et James Tennant Dickson – Angleterre)
Masse volumique : 1,2 g/cm³
Module d’élasticité : 3,5 GPa
Applications : Mobiliers, boules de bowling, bateaux, cabines de camions, luminaires

L’époxy

Invention : Années 1940
Masse volumique : 1,5 g/cm³
Module d’élasticité : 2,5 GPa
Applications : Peinture, colle, bobines électriques, composants électroniques.

Les élastomères

Un élastomère est une matière naturelle ou synthétique présentant une très grande élasticité. Les élastomères supportent très bien les déformations et sont imperméables. On retrouve parmis eux le caoutchouc, le silicone, le néoprène ou le polyuréthane.

Élasticité : Propriété qu’ont certains corps de reprendre leur forme et leur volume initial quand la force qui s’exerçait sur eux cesse d’agir.

Latex (Caoutchouc naturel)

Le latex est la sève d’un arbre appelé hévéa. Il était déjà utilisé par des indigènes au Pérou il y a plusieurs siècles. Ce sont les naturalistes français Charles Marie de La Condamine et François Fresneau de La Gataudière qui le redécouvre entre 1736 et 1747.  Charles Goodyear développe une technique en 1842 (la vulcanisation) qui consiste à chauffer le latex avec du soufre afin de lui apporter de meilleures propriétés mécaniques.

Masse volumique : 1 g/cm³
Température d’utilisation : -60 à 120°C
Module d’élasticité : 0,004 GPa
Applications : Pneus, joints d’étanchéité, tubes, tuyaux, gaines…
Avantages : Résistant à l’usure, grande élasticité, résistant à la déchirure.
Inconvénients : Non résistant à la chaleur, se dissout dans l’essence.

Caractéristiques du Silicone

Invention : 1941
Masse volumique : 1,25 g/cm³
Température d’utilisation : -70 à 270°C
Module d’élasticité : 0,8 GPa
Applications : Gants, moules de cuisine…

Caractéristiques du PU – Polyuréthane (Mousse)

Invention : 1937 (Bayer – Allemagne)
Masse volumique : 0,08 g/cm³
Température d’utilisation : -70 à 250°C
Applications : Matelas, sièges de voiture, roues de patins à roulettes

Les bioplastiques

Ce sont des matières plastiques qui sont issues de plantes ou de bactéries (bio-sourcées), et/ou biodégradables. Les bioplastiques peuvent être thermoplastiques (PLA, PA11…) ou thermodurcissables (Galalithe, celluloïd…). Le celluloïd (inventé en 1872) est considéré comme la première matière plastique de l’Histoire. Aujourd’hui, ils présentent une bonne alternative aux plastiques fabriqués à partir de pétrole car leur impact environnemental est plus faible.

PLA – Acide polylactique

Origine : Amidon de maïs
Invention : Années 1920 (Wallace Carothers – USA)
Masse volumique : 1,45 g/cm³
Température d’utilisation : -20 à +115°C
Module d’élasticité : 3,5 GPa
Applications : Impression 3D, sacs plastiques, jouets, tuyaux…

Polyamide 11

Origine : Huile de ricin
Invention : Années 1950 (Ato Chimie – France)
Masse volumique : 1,04 g/cm³
Température d’utilisation : -40 à +100°C
Module d’élasticité : 1,5 GPa
Applications : Durites, filets de pêche, tuyaux…

Celluloïd

Origine : Camphre
Invention : 1872 (John Wesley Hyatt – USA)
Masse volumique : 1,5 g/cm³
Applications : Boutons, touches de piano, boules de billard, stylos…

Galalithe

Origine : Lait de vache (caséine)
Invention : 1893 (Auguste Trillat – France)
Masse volumique : 1,25 g/cm³
Applications : Boutons, touches de piano, boules de billard, stylos…

Tableau récapitulatif et non exhaustif des matériaux organiques

Les matériaux d’origine végétaleBois, papier, carton, coton, chanvre…
Les matériaux d’origine animaleCuir, laine, os, ivoire…
Les matériaux synthétiquesLes polymères thermoplastiquesABS, polyamide, polyéthylène, Polyméthacrylate de méthyle, PVC…
Les polymères thermodurcissablesBakélite, polyester, époxy…
Les élastomèresCaoutchouc, silicone, polyuréthane…
Les bioplastiquesPLA, polyamide 11, galalithe, celluloïd…

À retenir

  • Les matériaux organiques sont principalement constitués d’atomes de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote (C, H ,0 ,N). 
  • Ils peuvent être d’origine : végétale, animale ou synthétique.
  • Ils sont surtout utilisés pour leurs caractéristiques telles que leur légèreté ou leur élasticité afin d’apporter des solutions techniques.
  • D’origine végétale, ils sont obtenus à partir de plantes (Bois, papier, carton, coton, chanvre…).
  • Les matériaux d’origine animale sont obtenus à partir d’animaux (Cuir, laine, os, ivoire…).
  • Synthétiques ils sont créés à partir de procédés chimiques.
  • Les matériaux synthétiques sont répartis en plusieurs catégories :
    • les polymères thermoplastiques (ABS, PET, PVC…) ;
    • les polymères thermodurcissables (Bakélite, polyesters, époxy…),
    • les élastomères (Caoutchouc, silicone, polyuréthane…) et
    • les bioplastiques (PLA, polyamide 11, galalithe, celluloïd…).

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