xx èmes olympiades nationales de la chimie 2004 chimie et beauté au fil de la chimie
TRANSCRIPT
XXèmes Olympiades Nationales
de la chimie 2004
Chimie et beauté
Au fil de la chimie
Sommaire
Introduction
1- Les fibres textiles
2- L’ennoblissement traditionnel
3- Les textiles innovants
Perspectives : Les textiles du futur
Introduction
1- LES FIBRES : Classification, propriétés et exemple de fabrication
• Fibres naturelles : fibres cellulosiques (principalement coton), laine, soie,…
• Fibres artificielles : viscose, acétate,
• Fibres synthétiques : polyamide (PA), polyester (PET), fibres acryliques
Classification
1- LES FIBRES : Classification, propriétés et exemple de fabrication
Formule chimique / Structure
Cellulose
PA 6
PET
O
O
H
H
H
H
H
CH2
OH
OHHO O
H
H
H
H
H
O
CH2
OH
HOOH
n
C CO O
O
CH2 CH2
O
n
n
CO
NH[CH2]5
1- LES FIBRES : Classification, propriétés et exemple de fabrication
Relation structure/propriétés : fibres naturelles
– Hydrophiles – Bon confort– Entretien délicat (froissabilité du coton et du
lin, détachage, stabilité dimensionnelle / feutrage de la laine)
1- LES FIBRES : Classification, propriétés et exemple de fabrication
Relation structure/propriétés : fibres artificielles
– Hydrophiles – Confort correct– Entretien proche de celui des fibres
naturelles, – Exception : l’acétate
1- LES FIBRES : Classification, propriétés et exemple de fabrication
Relation structure/propriétés : fibres synthétiques
– Plutôt hydrophobes – Peu de confort– Entretien facilité
1- LES FIBRES : Classification, propriétés et exemple de fabrication
Fibres cellulosiques : phénomène de la froissabilité
Froissabilité- Critère négatif pour le consommateur et
défaut du produit - Recherche des produits qui simplifient la
vie de tous les jours (entretien facilité), études depuis 40 ans
1- LES FIBRES : Classification, propriétés et exemple de fabrication
Formation des plis
Formation d’un pli sous une contrainte de pression ou de flexion et en présence d’humidité
Exemple : cas du conducteur assis
- Position quasi-statique- Augmentation de l’humidité relative à proximité de l’étoffe (pas de ventilation due au mouvement du corps)
1- LES FIBRES : Classification, propriétés et exemple de fabrication
Structure de la cellulose (1/2)
Cellulose : Enchaînement de motifs cellobioses
O
O
H
H
H
H
H
CH2
OH
OHHO O
H
H
H
H
H
O
CH2
OH
HOOH
n
1- LES FIBRES : Classification, propriétés et exemple de fabrication
Structure de la cellulose (2/2)
Liaisons hydrogène entre les chaînes de cellulose
Cohésion et stabilité entre les chaînes macromoléculaires
OH
OH
OH
O
H
O
H
O
H
O
HH
O
H
O
H
O
H
1- LES FIBRES : Classification, propriétés et exemple de fabrication
Mécanisme de formation des plis
Trois étapes successives :
1°) Gonflement de la fibre de cellulose en présence d’eau
2°) Formation du pli
3°) Séchage qui permet de fixer le pli
1- LES FIBRES : Classification, propriétés et exemple de fabrication
1°) Gonflement (1/2)
En présence d’eau => Gonflement de la fibre
Rupture de toutes les liaisons hydrogène de la zone amorphe
1- LES FIBRES : Classification, propriétés et exemple de fabrication
1°) Gonflement (2/2)
- Formation de nouvelles liaisons hydrogène entre eau et cellulose
- Rupture des liaisons hydrogène de la cellulose
Eau = gonflant de l’eau
- Possibilité de déformer les chaînes (glissement des chaînes) et de faire varier la structure
O
H
O
H
O
H
H
O
O
H
H
O
O
H
H
O
O
H
O
H
O
H
O
H
H
O
H
O
H
OH
O
H
O
H
O
H O
H
O
H
O
H
O
H O
H
O
H
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
H
O
HH2O
1- LES FIBRES : Classification, propriétés et exemple de fabrication
2°) Formation du pli
– application d’une contrainte de pression ou de flexion
– variation de la structure
1- LES FIBRES : Classification, propriétés et exemple de fabrication
3°) Séchage
Fixation du pli / Le pli est formé
– Séchage : Elimination de l’eau
– Les liaisons hydrogène entre les chaînes de cellulose se reforment mais différemment de l’état initial
1- LES FIBRES : Classification, propriétés et exemple de fabrication
Comment éliminer le pli ?
1°) Gonflement à nouveau de la fibre de cellulose en présence d’eau2°) Eliminer le pli et étape de séchage
Repassage à la vapeur
Formation / Élimination des plis : Phénomène réversible
+2 H2O
C CO
O
O
O
H
H+ 2 CH2 CH2 OHHO =
C CO
O
O
O
CH2 CH2 OH
CH2CH2HO
1- LES FIBRES : Classification, propriétés et exemple de fabrication
Exemple de la fabrication d’un polyesterle PET obtenu à partir
d’éthylène glycolet
d’acide téréphtalique
Réaction de pré-polymérisation :
2- L’ENNOBLISSEMENT DES TEXTILES
L’ennoblissement - Définition
• Avant l'opération d'ennoblissement, ces textiles sont généralement appelés « écrus »
• L'ennoblissement est l'ensemble des opérations permettant d'ajouter des caractéristiques particulières aux textiles tissés, tricotés, tressés et non-tissés.
– Pré-traitements
– Teinture ou impression
– Finitions mécaniques ou chimiques
2- L’ENNOBLISSEMENT DES TEXTILES
Les grandes étapes
• Objectifs– Eliminer les impuretés naturelles et/ou les
substances chimiques déposées au préalable
– Réduire la coloration naturelle de la fibre– Modifier la chimie de la surface
=> Préparation à la teinture et aux finitions
2- L’ENNOBLISSEMENT DES TEXTILES
Pré-traitements
• Lavage (nettoyage, désensimage, désencollage)• Flambage• Blanchiment
• Ces opérations sont nécessaires afin de réaliser la teinture ou l'impression et la finition dans les meilleures conditions.
2- L’ENNOBLISSEMENT DES TEXTILES
Pré-traitements
– Détruire les colorants naturels
– Rendre hydrophile la surface
=> préparation à la teinture et aux finitions
– Traitement par oxydation
• Hypochlorite de sodium (eau de javel) : Na+ + ClO-
• Chlorite de sodium : Na+ + ClO2-
• Peroxyde d’hydrogène (eau oxygénée) : H2O2
2- L’ENNOBLISSEMENT DES TEXTILES
Blanchiment (fibres naturelles) (1/2)
• Oxydation par les ions hypochlorites (attention à
l’oxydation de la cellulose)
• pH = 9-11 / Température ambiante
• Neutralisation par l’hydrogénosulfite de sodium : Na+
+ HSO3-
2- L’ENNOBLISSEMENT DES TEXTILES
Exemple : Blanchiment à l ’eau de javel (2/2)
• ObjectifDonner à une fibre, un fil ou une étoffe, dans toute sa longueur et dans toute son épaisseur, une couleur unie.
• Paramètres pour le choix du colorant :– nature du support– application visée– technique de mise en œuvre
2- L’ENNOBLISSEMENT DES TEXTILES
La teinture
2- L’ENNOBLISSEMENT DES TEXTILES
Colorants Directs- Cellulose (1/2)
Premier colorant : Le Rouge du CongoColorant soluble dans l’eau (groupes sulfonates -SO3
-)Affinité pour les fibres cellulosiques et animales
NH2
SO3Na
N N
N N
H2N
SO3Na
2- L’ENNOBLISSEMENT DES TEXTILES
- Egalement appelés « substantifs » - Pas besoin de mordant (teinture en bain neutre)
- Avantages principaux : grande variété de coloris, facilité d’application et prix modique-Inconvénient : manque de solidité au lavage- Alternative : traiter la teinture avec un produit cationique formant avec le colorant anionique un complexe moins soluble
Colorants Directs- Cellulose (2/2)
2- L’ENNOBLISSEMENT DES TEXTILES
Colorants acides- Polyamide (1/2)
-Teinture de certaines fibres (animales, PA) en milieu acide
- Groupe chromophore + groupes sulfonates pour la solubilisation
SO3Na
NN
HO
SO2
NC2H5
NH2
2- L’ENNOBLISSEMENT DES TEXTILES
Colorants acides- Polyamide (2/2)
- Cas du PA : NH2 seulement en bouts de chaîne + [NH2] peut
varier en fonction d’une fabrication, d’un traitement thermique (thermofixation) ou chimique
Variation des propriétés tinctoriales
-Largement utilisés aujourd’hui-Palette des nuances la plus complète-Seul inconvénient : faible solidité à tous les facteurs de dégradation
- Exemple de liaisons :
NH3+PA -O3S Colorant attraction
électrostatiqueEn milieu acide (pH = 5)
2- L’ENNOBLISSEMENT DES TEXTILES
Les apprêts chimiques - Définition
• Principe général : application d’une formulation pour conférer une propriété spécifique.
• Principaux apprêts :– Protection : hydrofugation, oléofugation,
ignifugation, action biocide– Tenue à l’usage : infroissabilité, stabilité
dimensionnelle, solidité des teintures– Organoleptiques : modification du toucher,
adoucissant
2- L’ENNOBLISSEMENT DES TEXTILES
Exemples de formulation
– Produits en suspension, émulsion, dispersion
– Produits réactifs ou/et pré-polymères réticulables pour former un film macromoléculaire autour des fibres
(étape de chauffage pour fixer)
2- L’ENNOBLISSEMENT DES TEXTILES
Infroissabilité des fibres cellulosiques (1/2)
• Principe : réduire, sinon annuler, l’aptitude de la cellulose (en particulier du coton) à se froisser au porter
• Démarche : bloquer les groupes hydroxyles pour éviter le gonflement en présence d’eau et par conséquent la formation des plis
2- L’ENNOBLISSEMENT DES TEXTILES
Infroissabilité des fibres cellulosiques (2/2)
• Exemples d’apprêts : réactifs polyfonctionnels (aldéhydes, alcools, acides) susceptibles de réagir avec les groupes hydroxyles -OH de la cellulose pour conduire à sa réticulation – Traitement « non Iron »
HO O O O
RRR
OHOOOOH
OH
R = réticulant
2- L’ENNOBLISSEMENT DES TEXTILES
Exemple de traitement « non iron » (1/2)
Utilisation d’acides polycarboxyliques (développement depuis 15-20 ans)
HOOC - (CH2)n – COOH : au minimum 2 fonctions acides
Le plus étudié : l’acide butane-1,1,4,4-tétracarboxylique (BCTA)
CH CH2 CH2 CHCOOH
COOH
HOOC
HOOC
2- L’ENNOBLISSEMENT DES TEXTILES
Exemple de traitement « non iron » (2/2)
Réticulation : réaction d’estérification, en catalyse acide, entre les groupes -OH de la celluloseet les groupes -COOH du polyacide carboxylique
Cellulose –OH + HOOC – (CH2)n – COOH + OH - Cellulose
Cellulose –O- OC – (CH2)n – CO - O- Cellulose + 2 H2O
3- LES TEXTILES INNOVANTS
Principales voies d’obtention
Nouvelles fibres
Structure du textile (fonctionnalités mécaniques)
Traitements de finition
Microencapsulation
3- LES TEXTILES INNOVANTS
Microencapsulation - définition
La microencapsulation consiste à isoler une substance active du milieu extérieur en l’enveloppant d’une membrane (aminoplaste par exemple) formant une capsule sphéroïdale
(quelques m à 500 m)Système réservoir
Existence de différents types de microcapsules
3- LES TEXTILES INNOVANTS
Exemple de technique de fabrication : la polymérisation inter faciale
1- Chlorure de diacyleen solvant organiquedans phase dispersée
2- PolymérisationInter faciale par ajout d ’une diamine
3- LES TEXTILES INNOVANTS
Exemple de développement : les Cosméto-textiles
Rencontre du textile et des cosmétiques : immobilisation d’actifs cosmétiques microencapsulés sur des textiles
3- LES TEXTILES INNOVANTS
Mise en oeuvre des capsules
Etat initial Au porter : destruction de la paroi sous contrainte (frottement)
3- LES TEXTILES INNOVANTS
Chaussant (Collants, bas, mis-bas, chaussettes) Lingerie Vêtements de sport (fuseau, caleçon, panty) Article de mode (foulard)
Exemples d’applications commerciales dans l’habillement
LES TEXTILES DU FUTUR
Greffage d’enzymes(très gloutons)
TiO2 + UV + H2O =oxydation