TPE
ABSORPTION DES CHOCS
Unité de molécule d'amidon C6H10O5 sur le logiciel ChemSketch
Sur ce graphique, "Equilibrium" représente un fluide newtonien, "Shear thinning", traduit par rhéofluidification, représente l'organisation en feuillet du mélange eau et Maïzena lors de faibles forces de cisaillement. "Shear tickening" représente ainsi le mélange lors d'intenses forces de cisaillement, avec la formation d'agrégats, ici en orange.
II. LES SLIMES
Nous allons découvir le fonctionnement du D3o à travers l'analyse de deux matières rhéoépaississantes, aux propriétés similaires.
L'un des mélanges est composé de Maïzena et d'eau, et l'autre est composé d'alcool polyvinylique et de tétraborate de sodium décahydraté.
Le terme "slime" peut être traduit par "dépôt gluant" ou "bave" de l'anglais, à l'origine de ces deux matières.
1) Présentation
Appelé aussi Oobleck, ce slime est composé de fécule de maïs (Maïzena) et d'eau. La Maïzena doit son nom à l'entreprise Unilever qui l'a commercialisée dès 1891. Elle est utilisée comme équivalent de la farine, mais avec l'avantage d'être sans gluten. Elle fut inventée par une famille de Duttlenheim.
La fécule de maïs, de formule C6H10O5 brute (représentée ci-contre) est constituée de molécules d'amidon, regroupées plus généralement dans la famille des polysaccharides, des molécules de glucose en sorte. Lors de la préparation du Oobleck, à sa formule s'ajoute H2O. Nous connaissons également sa masse volumique, de 1,2g/mol-1, ainsi que sa densité de 1,2.
- Pourquoi la maïzena et pas la farine ?
La farine contient du gluten, permettant la solubilité de la fécule de maïs dans l'eau. Contrairement à la maïzena qui n'en contient pas.
2) Caractéristiques
Nous réalisons un mélange d'eau et de fécule de maïs (1/3 d'eau et 2/3 de Maïzena), Sans contrainte physique l'Oobleck est liquide. Nous appliquons un choc et constatons un changement d'état liquide-solide. Au moment de la contrainte physique, le slime absorbe et disperse les chocs. Lors de nos expériences, nous avons pu proteger un oeuf grâce au slime (voir ci-après) Néanmois nous observons au bout d'une ou deux heures, que l'eau comprise dans la fécule de maïs s'évapore (magré une réfrigération constante) et ses propriétés d'absorption des chocs disparaissent.
3) Fonctionnement
Le fonctionnement du Oobleck repose sur le mélange colloïdal de l'eau et de la fécule de maïs. En effet, les colloïdes sont des mélanges contenant des particules en suspension sur plusieurs couches. L'eau dans les grains d'amidon crée ainsi une suspension colloïdale, c'est-à-dire que ces grains d'amidon ne se dissolvent pas dans l'eau, mais, à l'état de repos ou de faibles forces de cisaillement, le mélange parait homogène et liquide. On dit que les particules, ici les grains d'amidon, s'organisent en feuillets. Cependant, lors d'intenses forces de cisaillement ou d'un choc violent sur le mélange, l'organisation en feuillets devient instable, et la formation d'agrégats bloque l'écoulement de l'eau, produisant ainsi la solidification du mélange.
A- Le slime Maïzena + eau
B- Le slime Borax + PVA
1) Présentation
Le slime borax+PVA est composé de tétraborate de sodium (borax) et d'alcool polyvinylique (PVA).
Il est utilisé dans les jouets de la marque Mattel et a été rendu célèbre par le film Flubber en 1997. Ce slime permet d'étirer des jouets de façon temporaire et ces mêmes jouets retrouvent leur forme initiale.
L'alcool polyvinylique, PVA, est un polymère formé de longues chaînes de carbone, qui porte des groupements alcool OH.
Le borax lui est une espèce minérale de formule : Na2B4O7 +10H2O, Le minerai de borax se trouve généralement à l'emplacement d’anciens lacs asséchés (où l'eau s'est évaporée).
Ce mélange d'alcool polyvinylique et de borate de sodium est un fluide non-newtonien qui présente à la fois des propriétés rhéoépaississantes et des propriétés viscoélastiques. Le comportement viscoélastique linéaire est intermédiaire entre celui d'un solide élastique et celui d'un fluide visqueux newtonien.
2) Liaisons formées
Le mélange de borax au PVA créé deux formes de liaisons : les liaisons covalentes, (des liaisons chimiques solides), et les liaisons hydrogènes (liaisons assez souples).
Les ions borates forment des liaisons hydrogènes avec les chaînes PVA. Ces liaisons hydrogènes, plus faibles, permettent à la matière de se casser et de se ressouder, indéfiniment.
Ceci est une modélisation des liaisons du slime, on peut y voir les liaisons chimiques solides (en traits pleins) et les liaisons hydrogène (en pointillés).
3) Changement d'état
Ses propriétés rhéoépaississantes, procurent au slime le fait de passer d'un état "pâteux" à un état solide, lors de l'application d'un choc. La solution absorbe et disperse les chocs.