Objectifs du TP

Au cours de cette séance, les élèves de 2^nd Pro ABIL ont fabriqué un fluide rhéoépaississant (le Slime). Cette activité ludique a servi de contexte pour que les élèves puissent découvrir :

• Les concepts de polymères et de réticulation : La fabrication du slime permet aux élèves de comprendre les notions de polymères et de réticulation. Le PVOH (alcool polyvinylique) est un polymère, et le borax agit comme un agent réticulant, formant des liaisons croisées entre les chaînes polymériques. Les élèves peuvent ainsi observer une réaction chimique en temps réel, passant d’une solution liquide à un gel viscoélastique, ce qui illustre comment les interactions chimiques modifient les propriétés physiques des matériaux.
• Les notions de physique des matériaux : Le slime est un matériau viscoélastique, possédant à la fois des propriétés de fluides (viscosité) et de solides (élasticité). Les élèves peuvent explorer ces propriétés en manipulant le slime, observant comment il s’écoule lentement sous faible contrainte et devient plus rigide sous une contrainte rapide. Etant un exemple de fluide non-newtonien, les élèves peuvent apprendre à distinguer les fluides newtoniens et non-newtoniens et comprendre l’importance de la viscosité dans différents contextes.

En plus de la découverte de ces différentes notions, la fabrication du slime est une activité qui offre l’opportunité aux élèves d’approfondir différences compétences précédemment acquises :

• La préparation de solutions et le calcul de concentrations: En suivant le protocole, les élèves mettent en pratique leurs aptitudes à mesurer avec précision les substances chimiques et à préparer des solutions de concentrations massiques spécifiques (et retrouver les concentrations molaires correspondantes). Cette activité renforce ainsi leur compréhension des concepts de molarité et de dilution.
• L’analyse et l’observation des résultats obtenus: Cette partie du travail leur permet de développer leurs compétences en évaluation critique, en interprétation des données expérimentales en reliant la théorie à la pratique, favorisant un apprentissage intégral et appliqué des sciences.

Introduction

Le slime, un matériau viscoélastique populaire, particulièrement apprécié pour ses propriétés uniques, trouve son origine dans une réaction chimique simple mais qui forme des molécules relativement complexes. Du point de vue moléculaire, le slime est un exemple de réseau réticulé formé par l’interaction entre un polymère, l’alcool polyvinylique, et un agent réticulant, le tétraborate de sodium.

Structure Moléculaire

Au niveau moléculaire, l’alcool polyvinylique est un polymère synthétique composé de longues chaînes de monomères d’éthylène glycol liés entre eux. Lorsque l’alcool polyvinylique est dissous dans l’eau, les chaînes polymériques restent mobiles et indépendantes les unes des autres. L’ajout de tétraborate de sodium à cette solution introduit des ions borate, qui peuvent former des liaisons hydrogène avec les groupes hydroxyle (–OH) présents sur les chaînes de PVOH. Ces liaisons réticulantes créent des points de croisement entre les chaînes polymériques, transformant la solution fluide en un réseau tridimensionnel viscoélastique : le slime.

Propriétés du Slime

Le réseau tridimensionnel formé par les liaisons entre l’alcool polyvinylique et le tétraborate de sodium confère à ce matériau ses propriétés physiques uniques, notamment sa texture viscoélastique et ses comportements atypiques sous contrainte. Ces propriétés en font un excellent sujet d’étude en science des matériaux.

Le slime présente une combinaison de propriétés visqueuses et élastiques. La viscosité désigne la résistance d’un fluide à l’écoulement, tandis que l’élasticité décrit la capacité d’un matériau à reprendre sa forme initiale après déformation. Le slime est visqueux car il s’écoule lentement sous l’effet de la gravité, mais il est aussi élastique puisqu’il peut être étiré et reprendre ensuite sa forme originale lorsqu’on relâche la tension.

Le slime est également un parfait exemple de fluide non-newtonien. Contrairement aux fluides newtoniens (comme l’eau ou l’huile) dont la viscosité reste constante, la viscosité des fluides non-newtoniens varie en fonction de la force appliquée.

Parmi les fluides non-newtoniens, on distingue :

• Les fluides rhéofluidifiants qui perdent instantanément en viscosité lorsqu’ils sont mis sous contraintes. Leur viscosité redevient normale instantanément lorsque la contrainte s’arrête (exemple : la peinture).
• Les fluides rhéoépaississants qui voient leur viscosité augmentée lorsqu’ils sont agités. Ils se comportent comme un liquide sous une pression légère, mais deviennent dur et solide sous une pression forte (exemple : mélange eau/maïzena).
• Les fluides thixotropiquesqui, comme les fluides rhéofluidifiants perdent en viscosité lorsqu’ils sont mis sous contraintes. La différence réside dans le fait que la viscosité diminue progressivement avec le temps sous une contrainte continue ou une agitation prolongée. Une fois que la contrainte cesse, la viscosité remonte lentement à son état initial (exemple : le Ketchup).
• Les fluides à seuil qui sont des fluides nécessitant une certaine contrainte pour commencer à s’écouler. Une fois la contrainte dépassée, ils s’écoulent facilement (exemple : le dentifrice).

Le slime correspond donc à un fluide non-newtoniens rhéoépaississants.

Ces notions sont fondamentales en physique et en chimie des matériaux, car elles permettent de comprendre comment différentes substances réagissent sous diverses conditions et comment elles peuvent être utilisées de manière efficace dans la vie quotidienne et les applications industrielles. Pour les fluides rhéoépaississants comme le slime, ces applications sont variées et intéressent une multitude de secteurs industriels :

• Applications biomédicales : Les fluides rhéoépaississants peuvent être utilisés dans les prothèses et orthèses pour offrir un soutien variable en fonction de la contrainte appliquée, améliorant ainsi le confort et la fonctionnalité des dispositifs. Exemple : Des semelles orthopédiques qui ajustent leur rigidité en fonction de la pression exercée par le pied, offrant un meilleur soutien et un confort personnalisé.
• Dispositifs de Protection : Utilisés dans les armures souples et les gilets de protection. Lors d’un impact fort ou d’une contrainte soudaine, ces fluides deviennent rigides, offrant une protection supérieure contre les chocs. Une fois la contrainte relâchée, ils redeviennent flexibles, assurant un confort et une liberté de mouvement. Exemples : Des matériaux comme le Kevlar imprégné de fluide rhéoépaississant sont utilisés pour fabriquer des équipements de protection pour les forces de l’ordre et les militaires. Les protections pour les sports extrêmes comme le skateboard ou le VTT utilisent également ces matériaux pour fournir une meilleure absorption des chocs sans compromettre la mobilité.
• Contrôle de la vibration et de l’absorption des chocs : Peuvent être utilisés dans les amortisseurs et les systèmes de suspension pour les véhicules. Leur capacité à ajuster leur viscosité en fonction de la contrainte permet d’améliorer le contrôle et le confort de conduite en absorbant les vibrations et les chocs de manière plus efficace. Exemple : Les amortisseurs adaptatifs dans les véhicules de haute performance utilisent cette technologie pour ajuster automatiquement la rigidité de la suspension en fonction des conditions de conduite.

2) Protocole

Préparation des solutions

• Solution de tétraborate de sodium à 4% :
  • Peser 4 g de tétraborate de sodium (MW : 381,372 g.mol^-1) dans une fiole jaugée puis compléter en quantité suffisante pour 100 mL avec de l’eau distillée.
  • Ajouter une pointe de fluorescéine qui agira comme un colorant jaune fluo.
  • Agiter jusqu’à dissolution complète.
• Solution d’alcool polyvinylique à 4% :
  • Peser 40 g d’alcool polyvinylique (MW : 130 000 g.mol^-1).
  • Placer environ 900 mL d’eau distillée dans un ballon.
  • Insérer un barreau aimanté dans le ballon, lancer l’agitation et faites monter l’eau en température pour atteindre une température d’environ 150°C.
  • Lorsque l’eau est chaude (entre 70 et 80°C) ajouter progressivement l’alcool polyvinylique sous agitation constante et ininterrompue.
  • Continuer à agiter et à chauffer jusqu’à dissolution complète de l’alcool polyvinylique (cela peut prendre quelques heures).
  • Compléter ensuite à 1000 mL avec de l’eau distillée toujours sous agitation.
  • Faire refroidir la solution en plaçant le ballon sous l’eau froide.

3) Fabrication du Slime

• Dans un bécher, verser 30 mL de solution de tétraborate de sodium.
• Dans un second bécher, verser environ 100 mL de la solution d’alcool polyvinylique.
• À l’aide d’une baguette en verre, agiter continuellement et fortement la solution d’alcool polyvinylique tout en ajoutant lentement la solution de tétraborate de sodium.
• Observer la réaction se produire progressivement.