Le Slime

Voici un autre gel que le polyacrylamide mais liquide cette fois-ci. Cette expérience est sûrement la préférée des enfants... Le Slime^® est une matière vraiment étonnante, pour ses propriétés physiques (visqueuses et élastiques) et aussi pour son aspect gélatineux et dégoulinant !

1 Précautions

Outre les précautions en chimie qui sont d'usage, cette expérience comporte les attentions suivantes :

• Le Slime^® n'est pas une matière dangereuse mais il ne faut pas en avaler et ne pas le laisser manipuler à des enfants en bas âge. Il ne devrait pas êtrê manipulé par les femmes enceintes en raison de la présence éventuelle de borax libre, classé Toxicité pour la reproduction, catégorie 1B. Bien se laver les mains après manipulation.
• Attention aux brûlures lors de la préparation de la solution à chaud du PVOH.

2 Matériel

• Alcool polyvinylique (PolyVinyl alcool, PVOH ou PVA, la masse molaire moyenne (MW) doit être d'environ 100 000 g/mol (au minimum 80 000 g/mol) et le pourcentage d'hydrolyse doit être au minimum de 95%)
• Tétraborate de sodium décahydraté Na₂B₄O₇,10H₂O aussi appelé borax
• Colorants, paillettes, parfum...
• Baguette en verre
• Agitateur magnétique chauffant et barreau aimanté
• 2 béchers
• 2 bouteilles de 1 L

3 Protocole expérimental

3.1 Préparation des solutions

• Solution de borax à 4% :
  • Mettre 40 g de borax dans une bouteille propre de 1 L, puis compléter avec de l'eau distillée jusqu'à presque 1 L.
  • Agiter pour dissoudre tout le borax, puis compléter la bouteille de 1 L avec de l'eau distillée. (Il se peut que tout le borax ne se dissolve pas, auquel cas la solution est saturée.)
  • Étiqueter correctement la bouteille. La solution peut se conserver plusieurs mois.
• Solution de PVOH à 4% :
  • Celui-ci se dissout très lentement dans l'eau, il faut utiliser 900 mL d'eau distillée chaude et placer la bouteille sur un agitateur magnétique chauffant.
  • Lorsque l'eau est chaude (entre 70 et 80°C) ajouter petit à petit les 40 g de PVOH sous agitation constante et ininterrompue.
  • Continuer à agiter jusqu'à dissolution de la plus grande partie des grumeaux (cela peut demander quelques heures).
  • Compléter ensuite à 1 L avec de l'eau distillée.
  • Étiqueter correctement la bouteille. La solution peut se conserver plusieurs mois dans un endroit frais (réfrigérateur par exemple).

3.2 Fabrication du Slime^®

Solution de borax colorée en rose (par la rhodamine) versée dans la solution de PVOH.

Dès le mélange, formation du Slime^® collant sur la baguette en verre.

• Dans un bécher, verser environ 10 mL de solution de borax et y ajouter éventuellement un colorant de son choix. On peut par exemple colorer avec du fluorescéinate de sodium (jaune fluorescent), de la mercurescéine (rouge fluorescent), du bleu de méthylène (bleu) ou n'importe quel colorant alimentaire trouvé en magasin.
• Dans un autre bécher, verser environ 100 mL de la solution en PVOH. Éventuellement, ajouter quelques paillettes ou une goutte de parfum (pas plus).
• À l'aide de la baguette en verre, agiter continuellement la solution de PVOH tout en ajoutant la solution de borax colorée.
• Un gel se dépose instantanément sur la baguette en verre. Continuer à homogénéiser en tournant et en écrasant le gel contre les parois du bécher.
• Continuer à mélanger vigoureusement jusqu'à obtention d'une pâte gluante mais non-collante : le Slime^®.
• Sortir le Slime^® du bécher et le pétrir sur une table lisse et propre (surtout pas de nappe en tissu !) jusqu'à homogénéité parfaite.

3.3 Observation des propriétés

• Comportement mécanique du Slime^® :
  • Il casse net lorsqu'on le brusque, mais coule très lentement lorsqu'on le suspend.
  • Il peut s'étirer sur plusieurs mètres sous son propre poids.
  • Deux morceaux de Slime^® peuvent fusionner lorsqu'on les mélange.
  • Posé sur une surface lisse, le Slime^® s'étale en forme de flaque circulaire.
  • Déposé dans un récipient, il en prend lentement la forme.

4 Explications

• Le PVOH en solution peut être comparé à de longs spaghetti microscopiques baignant dans de l'eau. C'est un liquide assez visqueux. Le borax joue le rôle de liaison entre les chaînes de PVOH, comme du gruyère entre les spaghetti. On appelle ceci une réticulation. Les liaisons sont de deux types : des liaisons chimiques solides (liaisons covalentes dessinée en traits pleins) et des liaisons assez souples appelées liaisons hydrogène (dessinées en traits pointillés).

• Le comportement mécanique du Slime^® est particulièrement intéressant. Ce n'est pas un solide car il s'adapte à la forme du récipient dans lequel on le place. C'est donc un liquide très visqueux. Cependant, lorsqu'on tire dessus d'un coup sec il se coupe net, comme un solide, car les liaisons hydrogène ne sont pas très fortes. Cependant une fois cassé on peut le reformer en un seul morceau car la cassure des liaisons hydrogènes est réversible. Lorsqu'on laisse évoluer le Slime^® sous son propre poids ou lorsqu'on l'étire doucement il flue (coule) sans se rompre. Il n'adhère pas aux parois lisses. Par son aspect de gélatine gluante, le Slime^® est sûrement le genre de matière qui plaît le plus aux enfants ! (Voir l'expérience de comparaison de gels liquides et solides.)
• Le Slime^® est un fluide non-newtonien car il est rhéoépaississant. On retrouve cette propriété avec un mélange de farine de maïs (maïzéna) et d'eau. Les matières qui, à l'inverse, deviennent plus fluides lorsqu'on les agite sont dites rhéofluidifiantes. Tous ces fluides sont qualifiés aussi de non-newtoniens.
• Cependant, le Slime^® n'est pas élastique au point de rebondir fortement. Pour cela il faut utiliser des chaînes moléculaires bien plus longues. Voir l'expérience de la balle rebondissante.
• Remarque : si la masse molaire moyenne du PVOH n'est pas assez élevée (en dessous de 80 000 g/mol), le Slime^® obtenu ne sera pas bonne qualité. Il est impératif d'utiliser une masse molaire moyenne de PVOH élevée, entre 80 000 et 150 000 g/mol.

5 Vidéo

• Voir la vidéo à l'expérience de comparaison de gels liquides et solides.

6 À propos de la toxicité éventuelle du Slime

Une question récurrente se pose : le Slime est-il dangereux à fabriquer et à manipuler sans des gants ?

Car celui-ci est fabriqué à partir de borax , classé Toxicité pour la reproduction, catégorie 1B d'après le Règlement CLP/SGH, c'est-à-dire : "Substances présumées toxiques pour la reproduction humaine". Ce classement est basé sur des résultats effectués sur des animaux, mais qui n'ont pas forcément le même comportement biologique. La catégorie 1A s'appliquerait si le caractère toxique était avérée chez l'homme.

Ici nous fabriquons une solution de borax à 4 % en masse dans l'eau. D'après le tableau 3.7.2 du règlement CLP/SGH, un mélange est considéré comme classé dans la catégorie 1B s'il contient une substance de catégorie 1B en quantité supérieure ou égale à 0,3 % (en masse). Pour fabriquer le Slime, il faut environ 1 volume de solution de PVA et 0,1 volume de solution de borax, soit au total, un pourcentage de borax dans le Slime de 0,4 %.

Si l'on devait classer le Slime tel que préparé avec ces proportions, alors il serait également classé Toxicité pour la reproduction, catégorie 1B. Cependant :

• On est proche de la limite des 0,3 %. Un peu moins de solution de borax et on serait en dessous du 0,3 %, donc sans classification dans cette catégorie.
• On ne peut pas considérer le Slime comme un simple mélange où les substances seraient sans interaction. Il y a un changement de viscosité tel que le borax et le PVA sont bien fixés ensemble. Le borax n'est donc plus aussi actif que s'il était simplement dilué et libre, en tout cas par contact. (Par ingestion ce pourrait être différent, le borax pouvant être libéré dans l'organisme).
• Le borax n'est pas classé comme ayant une toxicité aiguë, ni un caractère cancérogène, ni mutagène (génotoxique). Son absorption à travers la peau est négligeable, en l'absence de lésions. Il est irritant pour les yeux.
• Une mise en garde concerne particulièrement les femmes enceintes ou pratiquant l'allaitement, bien que les effets sur la fertilité des animaux testés ne soient pas confirmés chez les humains.
• De nombreux produits cosmétiques contiennent de l'acide borique ou du borax, pour leurs propriétés anti-septiques, anti-fongiques, anti-transpirantes, désodorisantes : démaquillant, déodorant, conservateur, lotion nettoyante pour le visage...

En conclusion, on peut dire que le Slime en lui-même présente peu de danger, et un très faible risque s'il est manipulé avec les mains (sans lésions). Sa fabrication à partir du borax doit faire l'objet de protections habituelles :

• Port de gants et lunettes de protection lors de la pesée de borax en poudre (éviter l'inhalation), pour la fabrication de la solution diluée de borax et le mélange lors de la fabrication du Slime. En cas de projection dans les yeux, rincer abondamment ; consulter un ophtalmologiste si une réaction douloureuse ou allergique apparaît.
• Les femmes enceintes ou allaitant ne doivent pas manipuler le borax et le Slime.
• Les autres personnes peuvent manipuler le Slime avec les mains (sans lésions), en prenant la précaution de se laver les mains après usage. En cas d'ingestion, faire vomir.