Matière plastique

Une matière plastique ou en langage familier un plastique est un mélange contenant une matière de base qui est susceptible d'être moulé, façonné, généralement à chaud et sous pression, pour conduire à un semi-produit ou à un objet.


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Les matières plastiques font désormais partie de notre quotidien. Certains polymères ont été découverts fortuitement.

Une matière plastique ou en langage familier un plastique est un mélange contenant une matière de base (un polymère) qui est susceptible d'être moulé, façonné, généralement à chaud et sous pression, pour conduire à un semi-produit ou à un objet.
Le mot «plastique» dérive du latin plasticus, lui-même issu du grec ancien πλαστικός (plastikós, «relatif au modelage»), dérivé du verbe πλάσσειν (plássein, «mouler, former») dont dérive aussi plasma.

Les matières plastiques couvrent une gamme particulièrement étendue de matériaux polymères synthétiques ou artificiels. On peut observer actuellement sur un même matériau des propriétés qui n'avaient jamais jusque là été réunies, par exemple la transparence et la résistance aux chocs.

Les textiles (fils et fibres) mais aussi les élastomères ne sont pas des matières plastiques elles-mêmes.

Généralement, les polymères industriels ne sont pas utilisés à l'état «pur», mais mélangés à des substances miscibles ou non dans la matrice polymère.

Structure typique d'une formule :
matière plastique = polymère (s) brut (s) + (résine (s) de base) + charges + plastifiant (s) + additifs

Il existe la plupart de matières plastiques ; certaines connaissent un grand succès commercial. Les plastiques se présentent sous de nombreuses formes : pièces moulées par injections, tubes, films, fibres, tissus, mastics, revêtements, etc. Ils sont présents dans de nombreux secteurs, même dans les plus avancés de la technologie.

Historique

Les premiers plastiques industriels particulièrement résistants ont été produits à partir du lait. La bakélite a connu un immense succès à partir des années 1920 ; ici sous forme de face avant d'un poste de radio. La caséine du lait a servi d'agent plastifiant en peinture dès le Moyen Âge et peut-être énormément plus tôt.

Les matières plastiques sont quasiment nées avec le XXe siècle. Des centaines de chercheurs et de bricoleurs de génie sont à l'origine de leur essor. Les premiers plastiques, artificiels, résultaient de la transformation chimique de polymères naturels tels le caoutchouc, la cellulose et la caséine (le squelette macromoléculaire étant préservé lors de cette transformation). La première matière plastique industrielle basée sur un polymère synthétique est la Bakélite.

L'histoire des matières plastiques remonte à l'Égypte antique :

La Deuxième Guerre mondiale exacerba les besoins en matières premières :

Pour couvrir ses besoins, l'Allemagne, rapidement privée de ses ressources en latex naturel, avait produit durant la Première Guerre mondiale du caoutchouc «Buna»[4], un substitut plutôt médiocre de cette substance. Ses recherches sur de nouvelles matières plastiques se poursuivirent au cours de la Seconde Guerre mondiale (réalisées surtout par IG Farben) et , en 1945, la production de caoutchouc synthétique (néo-buta) s'élevait à un million de tonnes.

À partir de la Libération, l'élan scientifique et technologique insufflé à l'industrie par la guerre se poursuivit et de nouvelles matières furent synthétisées telles les nouveaux polyamides, le polycarbonate et les polyacétals.

Le polycarbonate : une résine transparente comme le verre, la solidité en plus. Utilisée dans les blindages, elle a équipé le casque des astronautes en 1969 sur la Lune.

Puis les découvertes de nouvelles matières se firent plus rares :

Depuis une trentaine d'années, les voitures, les trains et les articles électroménagers (machines à laver... ) n'ont cessé de s'alléger en métal et de gagner en performance grâce à l'apport des matériaux plastiques[6].

Les plastiques armés (matériaux composites) [typiquement les résines polyesters et polyépoxydes renforcées fibres de verre (verre : d∼2, 5) ], plus légers pour égale résistance que l'acier ou l'aluminium, et insensibles à la corrosion, sont des matériaux non respectant les traditions. Certains types sont de plus en plus utilisés dans le secteur aéronautique[7].

De nouveaux plastiques encore plus respectueux de l'environnement (recyclage et biodégradabilité perfectionnés), moins dépendants du pétrole (réduction de coût), thermostables, plus transparents, incassables, ininflammables ou originaux sont en voie de développement.

Article connexe : Bioplastique.

Technique

Caractéristiques

Les propriétés des matériaux plastiques ne cessent de se perfectionner ; ils ont perdu leur mauvaise réputation.

On constate l'emploi grandissant de pièces en matières plastiques à la place de pièces métalliques, fréquemment plus onéreuses, plus sensibles à la corrosion, ou plus lourdes. Certaines caractéristiques techniques changent notablement de celles des métaux :

Les matrices organiques sont des isolants thermiques et électriques, mais aussi les fibres de renfort (sauf fibres de carbone) [8] :

Caractéristiques physiques moyennes de quelques polymères thermoplastiques usuels[9].
Code Densité Taux de cristallinité (%) Tg (°C) Tf ou Tr (°C) [10] Tmaxi (°C) [11] Module E (GPa)
ABS
1, 04-1, 12
0
85-125
105-120
70-85
2, 5
PA-6
1, 13
50
52
215
85
1
PA-6, 6
1, 14
50
57
260
90
1, 5
PC
1, 20
0
150
220-250
120
2, 4
PE-HD
0, 95
80-95
-110
124-135
90
0, 8-1, 2
PE-LD
0, 92
50-70
-110
100-125
70
0, 15-0, 3
PET amorphe
1, 30
0
65-80
255
100
2, 7
PET cristallin
1, 40
40
65-80
260
100
4, 1
PMMA
1, 18
0
105
100
60-90
3
PP
0, 91
60-70
-10
165
100
1, 3
PS «cristal»
1, 05
0
80-100
100
60
3, 2
PVC rigide
1, 38
0-5
80
100-120
65
2, 4

Chimie et composition générale

Rappels de chimie macromoléculaire

Les plastiques prêts à l'emploi sont fréquemment constitués de longues chaînes carbonées[12]. Ils sont généralement dérivés de combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon). Diverses substances (charges, plastifiant (s) et additifs), dont la proportion en masse peut être majoritaire, sont incorporées lors de la fabrication.

La matière de base (la résine) est un polymère[13]. Les résines des matières plastiques sont issues de produits intermédiaires (éthylène, propylène, acétylène, benzène, etc. ) dont les matières premières sont le pétrole (surtout grâce au procédé de vapocraquage du naphta), le gaz naturel[14] et le charbon.

Un polymère est un dispositif constitué par un ensemble de macromolécules. Une chaîne polymère est constituée de la plupart d'unités monomères. La viscosité et la résistance mécanique d'un polymère augmentent avec le degré de polymérisation (DP ou n)  ; ce dernier définit la longueur des chaînes[15].

Si le degré de polymérisation est supérieur à 3 000, le produit sera une matière plastique ; DP peut atteindre six millions.

Les matières plastiques sont synthétisées par polymérisation de monomères ou de (pré) polymères :

La polymérisation est un processus important dans l'industrie chimique car les polymères en résultant doivent présenter les propriétés souhaitées, surtout, la durabilité, l'inertie chimique vis-à-vis de nombreux produits, l'élasticité, la transparence et les résistances mécanique et thermique.

Il existe deux catégories de polymérisations :

Pour perfectionner certaines propriétés, les matières plastiques du commerce sont quelquefois constituées d'une résine de base modifiée par une autre résine ou un élastomère (intérêt de la copolymérisation).
Il n'existe pas de macromolécules bidimensionnelles préparées par synthèse.
Il existe quatre techniques de préparation des polymères : polymérisation en masse, en solution, en suspension et en émulsion. Exemples : les polymères thermoplastiques PE, PVC et PS peuvent être synthétisés par ces quatre méthodes de polymérisation. La copolymérisation fournissant l'ABS s'effectue le plus fréquemment par le procédé en émulsion aqueuse, grâce à la formation de micelles.

Formulation du matériau polymère

Elle joue un rôle important. Les charges, plastifiants et additifs sont incorporés et dispersés dans la matrice de la résine pour perfectionner ses caractéristiques (résistance thermique, au feu, chimique, aux chocs ou au vieillissement, masse volumique, couleur, etc. ) ou sa mise en œuvre (souplesse... ) [16].

La formulation doit être non toxique. Une fiche de données de sécurité (FDS) de la préparation doit quelquefois être apportée à l'utilisateur.

Production de granulés (compoundage, ou compounding en anglais) à partir du formulat (polymère formulé) homogène, au moyen d'un malaxeur-extrudeur et d'une extrudeuse. Les granulés seront utilisés, par exemple, pour le moulage par injection.

On peut distinguer (liste non exhaustive)  :

Additifs

En général, ils accroissent notablement une propriété spécifique et sont incorporés à faible proportion. Nombre d'entre eux n'ont pas fait l'objet d'une évaluation complète de sécurité en termes de toxicologie ou d'écotoxicologie (en Europe par l'EFSA). Faute de réglementation internationale et dans l'attente de l'application du règlement REACH, ils sont principalement autorisés et contrôlés au niveau national. En Europe, la liste d'additifs de la Directive 2002/72/EC concernant les matières plastiques et des articles qui entrent en contact avec des produits alimentaires deviendra une liste positive (les produits non listés seront interdits) au 1er janvier 2010. Une liste provisoire existe jusqu'à cette date[19].

Exemples d'additifs :

Des additifs ignifugeants sont inclus dans les résines de composants électriques ou électroniques[23]. Facilité de transformation, tolérances serrées, rigidité et tenue en température forment des contraintes à respecter, suivant l'application.

Certains constituants sont multifonctions[26].

Propriétés

Propriétés thermiques

Relation structure-propriétés : chaînes linéaires (cas des polymères thermoplastiques, schéma de gauche) et réseau de molécules (thermodurcissables, à droite).

On peut classer les polymères en deux types, selon leur comportement à la chaleur : les thermoplastiques (polymères linéaires, ramifiés ou non) et les thermodurcissables [polymères tridimensionnels (réticulés) ][27] :

Propriétés mécaniques

Les polymères thermodurcissables sont fréquemment rigides et fragiles alors que les polymères thermoplastiques et les élastomères montrent une résistance mécanique médiocre particulièrement affectée par la température.

Pour ce qui concerne la structure moléculaire, les matériaux polymères solides sont soit :

Remarque sur l'influence de la tacticité : un polymère atactique (PMMA, PS... ), dont la chaîne macromoléculaire présente une forme géométrique irrégulière, ne peut pas cristalliser, au contraire de un polymère isotactique ou syndiotactique.

La structure des polymères est reliée aux propriétés thermomécaniques. A titre d'exemple, lors de la mise en œuvre par injection, les plastiques amorphes sont plus tolérants [process plus aisé, retrait (shrinkage en anglais) plus faible au refroidissement] que les semi-cristallins (ces derniers ont une prédisposition à cristalliser) [29].

Le taux de cristallinité d'un polymère influence les propriétés mécaniques (le module d'Young augmente quand le taux de cristallites augmente. Inversement la limite de déformation élastique diminue).

On admet généralement que les propriétés d'un plastique technique sont optimales quand la cristallinité moyenne sert à combiner la résistance mécanique et thermique de la phase cristalline à la résilience de la phase amorphe (quasiment 50 à 60 %.

La plupart des polymères thermoplastiques ne sont pas utilisés au-dessus de 120 °C, température à laquelle se produit un ramollissement (pour les amorphes) ou une fusion (pour les semi-cristallins), qui supprime les propriétés mécaniques. Les polymères thermoplastiques amorphes sont utilisés en dessous de leur Tg, à l'état vitreux. En théorie, les matières thermodurcissables ont une meilleure tenue thermomécanique (à la chaleur, au feu, au fluage, faible retrait, etc. ) et chimique que les thermoplastiques. Les meilleurs thermostables sont des thermodurcissables.

Quand les matériaux plastiques sont observés en service, on se rend compte qu'ils sont soumis à des contraintes qui provoquent des déformations pouvant occasionnellement conduire à la rupture. Le comportement en service des matériaux définit leurs propriétés d'usage.

Il est important de connaître les propriétés intrinsèques (inhérentes aux matériaux) pour faire un choix judicieux de la matière la plus apte à remplir les fonctions qui lui sont assignées. La résistance des matériaux est la science qui va, à partir de propriétés propres à chaque matériau, définir les caractéristiques et conditions d'utilisation de chacun.

Les propriétés mécaniques font partie des propriétés intrinsèques des matériaux et sont définies à partir d'essais comparatifs, normalisés. Généralement, on utilise les normes ISO, ASTM et DIN, ou des normes «maisons» quand les tests sont directement liés aux propriétés d'usage.

Les propriétés mécaniques sont ensuite utilisées pour prédire les propriétés finales des objets finis. Cependant, certaines caractéristiques structurales liées à la transformation des matières plastiques, telles le degré de cristallinité, l'orientation des chaînes macromoléculaires, ou les tensions internes résultant des conditions de mise en œuvre et de refroidissement, peuvent influencer les propriétés de l'objet. Ces propriétés sont nommées propriétés de transformation.

On peut résumer les propriétés du matériau comme suit :

La plupart d'essais mécaniques utilisés pour caractériser les matières plastiques découle des techniques d'analyse des métaux telles la mesure du module d'élasticité, de la résistance à la traction et de l'allongement à la rupture.

Caractérisation mécanique : courbe contrainte-déformation établie pour un échantillon de trois matériaux-types.

Les analyses mécaniques et rhéologiques sont basées surtout sur des essais de traction, compression, cisaillement, flexion et torsion.

Les équipements d'analyse comprennent les appareils de mesure de l'indice de fluidité à chaud (pour les polymères thermoplastiques) (MFI, Melt flow index en anglais) [30], les appareils de traction, les extensomètres, les analyseurs DSC, les viscosimètres (de type rotationnel, cône-plan ou capillaire) (pour les thermoplastiques), les analyseurs DMA (ces deux derniers instruments sont dédiés aux mesures dynamiques), les appareils de choc Izod et choc Charpy, etc.

En ce qui concerne les polymères solides, un simple essai de traction uniaxial sert à mesurer certaines propriétés mécaniques.

Les matériaux se répartissent selon leur comportement en contrainte-déformation, en trois catégories générales : rigides (fréquemment peu ductiles et peu résistants aux chocs), plastiques ou élastomères. Le graphique intitulé «Caractérisation mécanique» obtenu lors d'un essai de traction met en évidence ces trois catégories :

Les matières plastiques ont des propriétés mécaniques influencées par les principaux facteurs suivants :

Influence de la température : courbe établie pour un échantillon de plastique à différentes températures.

Globalement, le module d'élasticité et l'allongement à la rupture des polymères rigides se déterminent de la même façon que dans le cas des métaux.

La limite d'élasticité Re des polymères plastiques équivaut sur la courbe à la valeur maximale de la contrainte se situant à la fin de la région élastique linéaire. Qui plus est , la résistance à la traction Rm correspond à la contrainte entraînant une rupture ; elle peut prendre une valeur supérieure ou inférieure à Re.

Il est important de souligner que les propriétés mécaniques des polymères thermoplastiques et des élastomères dépendent fortement de la température (voir le graphique intitulé «Influence de la température»), des contraintes extérieures et du temps d'observation. Une élévation de température fait passer un matériau thermoplastique d'un comportement rigide et fragile à un comportement ductile et tenace.

Transformation

Extrudeuse mono-vis pour la production en continu d'un jonc extrudé à partir de la masse du formulat fondu
Presse à injecter bimatière pour des granulés thermoplastiques[31]

Plus que tout autre matériau, les matières plastiques offrent un large choix de techniques de transformation. Les produits initiaux [formulations complètes (nommées aussi matériaux polymères), compounds] se présentent sous forme de granulé, poudre, pastille, pâte ou liquide. Les matières hygroscopiques (PA, ABS, PBT, PMMA, etc. ) subissent un préséchage avant la mise en œuvre afin d'éviter tout défaut lié à l'humidité sur les pièces plastiques.

Les états plastique ou visqueux sont nécessaires pour mettre en œuvre les techniques de mise en forme des matériaux polymères.

Les transformateurs réalisent les objets finis destinés aux utilisateurs avec matériels et de matières apportées par les producteurs de polymères ou les compoundeurs.

Cageots en matière plastique courante (base PE ou PP)

La mise en forme des polymères thermoplastiques diffère de celle des thermodurcissables :

Le plastique permet le moulage et le soufflage de formes complexes, en séries industrielles (plasturgie). Les bouteilles sont ainsi réalisées, avec techniques particulièrement proches de celles utilisées pour les bouteilles en verre.

On peut distinguer :

Typologie

On peut distinguer globalement (hors matériaux composites)  :

Autres classifications envisageables : selon leur origine (polymères naturels, artificiels et synthétiques), leur famille physico-chimique (thermoplastiques, thermodurcissables, thermostables, élastomères), leur structure [polymères linéaires (ou monodimensionnels) et tridimensionnels][36].

Familles de matières plastiques

Thermoplastiques

Les matériaux plastiques composés de polymères à chaîne linéaire ou ramifiée sont habituellement fusibles. Les polymères thermoplastiques (ou polyplastes, thermoformables) se déforment et sont façonnables sous l'effet de la chaleur, gardant cette forme en refroidissant (ressemblance avec la cire des bougies). Ce phénomène réversible permet leur recyclage : les objets sont broyés et «refondus» pour en élaborer d'autres.

Les thermoplastiques sont d'autre part solubles dans des solvants spécifiques, ce qui permet leur utilisation comme revêtements et colles.

Pour fixer les idées, la majorité des polymères linéaires industriels ont des masses molaires voisines de 105 g•mol-1. Une macromolécule linéaire peut avoir une longueur qui dépasse le dixième de micromètre, ses dimensions latérales restant mille fois plus faibles.

Les textiles synthétiques (fils et fibres) sont toujours thermoplastiques. Ils sont apparus en 1940. On compte aujourd'hui plus de quarante types de textiles synthétiques et plus d'un millier de noms commerciaux pour les désigner.

Thermodurcissables

Les polymères thermodurcissables prennent leur forme définitive après la réaction chimique (polymérisation) accompagnant leur transformation. Le réseau tridimensionnel obtenu donne au produit fini son caractère d'irréversibilité thermique. La structure réalisée avec une résine thermodurcissable ne peut fluctuer et se trouve géométriquement figée (ressemblance avec la cuisson d'un œuf). Plus le composé sera tridimensionnel, plus il sera rigide, cassant, insoluble et infusible.

Exemple : copolymérisation du polyester insaturé en présence de styrène. La structure obtenue est définitive, le produit fini est infusible par conséquent non transformable et non recyclable.

Élastomères

Les élastomères sont hautement déformables : ils se définissent par la faculté de supporter de grandes déformations (jusqu'à à peu près 1 000 %) avant rupture.

Les élastomères sont des polymères à caractère amorphe ou cristallin présentant des propriétés remarquables en élasticité, amortissement et étanchéité (air, eau). Ils sont thermoplastiques et deviennent thermodurcissables par vulcanisation.

Ils sont employés généralement réticulés, et le plus fréquemment à une température supérieure à leur température de transition vitreuse, sur le plateau caoutchouteux ; utilisation : fabrication de la gomme des pneumatiques [contenant essentiellement du caoutchouc naturel (NR) et du copolymère styrène-butadiène (SBR), bandes transporteuses, tuyaux, durits, coussins, silentblocs, joints, mastics, gants médicaux, chaussures, etc.

Polymères des trois familles de matières plastiques

L'usage prévaut de réserver le terme de matière plastique à trois grandes familles de matériaux, les thermoplastiques, les thermodurcissables et les plastiques techniques[14], dont la structure, les propriétés physico-chimiques et de mise en œuvre (comportement sous l'effet de la chaleur et de la pression) changent complètement. Les résines thermoplastiques sont les plus utilisées industriellement.

Thermoplastiques
Codes ISO 1043-1 Quelques noms commerciaux[37] Polymères (désignation courante) Production industrielle depuis[38]
ABS Afcoryl, Bayblend (alliage PC/ABS), Cycolac, Isopak, Lastilac, Lustran, Novodur, Polyflam, Polylac, Polyman, Ronfalin, Terluran, Toyolac, Ugikral, Vestodur Copolymère acrylonitrile-butadiène-styrène (famille des styréniques) années 1950
CA Cellidor A, Cellon, Lumarith, Rhodialite, Rhodoïd, Setilitte, Trialithe Acétate de cellulose (cellulosique) 1927
EPS Afcolène, Depron, Hostapor, Polyfoam, Roofmate, Sagex, Styrocell, Styrodur, Styrofoam, Styropor, Vestypor Polystyrène expansé (styrénique) années 1950
PA Akulon, Altech, Amilan, Bergamid, Capron, Durethan, Eratlon, Ertalon, Grilamid, Grilon, Igamid, Kevlar, Latamid, Lauramid, Maranyl, Minlon, Miramid, Nomex, Nylatron, Nylon, Nypel, Orgamide, Perlon, Polyloy, Radiflam, Radilon, Renyl, Rilsan, Schulamid, Sniamid, Stanyl (PA-4, 6), Staramide, Starflam, Tactel, Technyl, Trogamid, Ultramid, Versamid, Vestamid, Vydyne, Zytel Polyamides[39] 1938 (PA aliphatiques), 1961 (PA aromatiques ou aramides : Nomex)
PBT Arnite, Celanex, Crastin, Deroton, Hostadur, Pocan, PTMT, Tenite, Ultradur, Vestodur Poly (téréphtalate de butylène) (polyester saturé) 1969
PC Apec, Axxis, Durolon, Gerpalon, Latilon, Lexan, Makrolon, Panlite, Plaslube, Polyman, Sunglass, Tuffak, Xantar Polycarbonates 1956
PE Alkathène, Alketh, Dyneema, Eltex, Hostalen, Lacqtène, Lupolen, Manolène, Marlex, Moplen, Plastazote, Polythen, Sclair, Stamylan, Stamylex, Supralen, Surlyn[40], Tupperware, Tyvek, Vestolen A Polyéthylène (polyoléfine) 1939 (PEBD), 1955 (PEHD)
PET Arnite, Baydur, Bidim, Dacron, Diolen, Ektar, Ertalyte, Hostadur K et A, Kodar, Mélinex, Mylar, Pocan, Raditer, Rhodester, Rynite, Tenite, Tergal, Terphane, Terylene, Trevira, Ultradur Poly (téréphtalate d'éthylène) (polyester saturé) 1946
PMMA Acrigel, Altuglas, Altulite, Bonoplex, Corian, Deglan, Limacryl, Lucite, Metacrilat, Oroglas, Perspex, Plexiglas, Resalit, Vitroflex Poly (méthacrylate de méthyle) (acrylique) 1933
POM Acetaver, Bergaform, Celcon, Delrin, Ertacetal, Hostaform, Kematal, Kepital, Kocetal, Ultraform Polyformaldéhyde (polyacétal) 1958
PP Amoco, Appryl, Carlona, Eltex, Hostalen PP, Luparen, Moplen, Novolen, Oléform, Polyflam, Profax, Propathene, Prylène, Stamylan P, Trovidur PP, Vestolen P Polypropène (polyoléfine) 1957 (PPi), 1992 (PPs)
PS Carinex, Edistir, Empera, Gedex, Hostyrène, Lacqrène, Luran, Lustran, Lustrex, Noryl (alliage PPO/PS), Polyflam, Polystyrol, Riviera, Styranex, Styroflex, Styron, Trolitul, Ursaa, Vestyron Polystyrène (styrénique) 1935
PVAC Elvacet, Hostaflex[41], Mowilith, Rhovyl, Vinnapas, Vinyon[41] Poly (acétate de vinyle) (vinylique) 1928
PVC Benvic, Breon, Corfam, Darvic, Duraform, Dynel[42], Garbel, Gedevyl, Hostalit, Lacovyl, Lacqvil, Lucolène, Lucovyl, Lucalor, Lucoflex, Micronyl, Mipolam, Nakan, Saran[43], Skaï, Solvic, Tefanyl, Trovidur, Ultryl, Vestolit, Vinidur, Vinnol, Vinnolit, Vinoflex, Vinylite Poly (chlorure de vinyle) (vinylique) 1931
SAN Elvax, Lacqsan, Luran, Lustran, Restil, Vestoran Copolymère styrène-acrylonitrile (styrénique) années 1950
Thermodurcissables
Codes ISO 1043-1 Quelques noms commerciaux Polymères Production industrielle depuis[38]
EP Araldite, Devcon, DER, Doroxin, Epikote, Epon, Epotek, Epotuf, Epoxin, Eurepox, Lekutherm, Lopox, Rutapox Polyépoxydes 1946
MF Arborite, Formica, Hostaset MF, Melochem, Melopas Mélamine-formaldéhyde (aminoplastes) années 1920
PF Bakélite, Cascophen, toile bakélisée (Celoron), papier bakélisé, bois bakélisé, Fluosite, Hostaset PF, Luphen, Micarta, Peracite, Trolitan, Tufnol Phénol-formaldéhyde (phénoplastes) 1910
PUR Baydur, Bayflex, Baygal, Cyanapren, Daltoflex, Definal, Desmodur, Desmolin, Estolan, Lupranat, Lupranol, Luvipren, Moltopren, Napiol, Scurane, Urepan, Voranol, Vulkolian, Vulkollan Polyuréthanes réticulés 1940
UF Ærodux, Beckamin, Cascamite, Hostaset UF, Pollopas, Prystal, Urochem Urée-formaldéhyde (aminoplastes) 1923
UP Hostaset UP, Leguval, Palatal, Pregmat, Ukapon, Vestopol Polyesters insaturés 1950
Plastiques techniques
Codes ISO 1043-1 Quelques noms commerciaux Polymères Production industrielle depuis
PTFE Algoflon, Ertaflon, Fluon, Gaflon, Halon, Hostaflon, Polyflon, Soreflon, Téflon, Voltalef Polytétrafluoroéthylène (fluoré) 1942

Les polyimides, le polytétrafluoroéthylène et les silicones peuvent être classés dans les thermostables[44] ou les polymères techniques.

Économie

L'importance économique des matières plastiques est majoritaire dans la chimie industrielle. Leur percée est telle que leur consommation actuelle en volume est supérieure à celle des métaux.

Production

Avec une production mondiale voisine de 54 millions de tonnes en 2001, le polyéthylène [ (-CH2-) n] est le polymère de synthèse le plus consommé[45]. Les plus communs sont ensuite le polychlorure de vinyle [ (-CH2-CH (Cl) -) n], le polypropylène [ (-CH2-CH (CH3) -) n], le polyéthylène téréphtalate (PET), le polystyrène, les polyamides et les acryliques.

Le PET et le poly (carbonate de bisphénol A) (PC, thermoplastique technique) connaissent une forte progression depuis les années 1990. La production totale du PET était d'environ 18 millions de tonnes en 2001.

Consommation

Les plus fortes consommations concernent les marchés du bâtiment, de l'emballage et de l'électricité-électronique. La consommation par habitant était de 92 kg en Europe occidentale en 2000.

Bioplastiques

Le marché des polymères biosourcés [polymères pour lesquels une partie des matières premières provient de ressources renouvelables (en particulier, le maïs, le blé, l'eucalyptus et la pomme de terre) ] a connu une expansion importante depuis une dizaine d'années. Les bioplastiques commercialisés contiennent entre 30 et 100 % de ressources renouvelables. L'utilisation de biomasse renouvelable atténue le réchauffement climatique par réduction d'émission de gaz à effet de serre (CO2).

Les bioplastiques disponibles sur le marché sont de 20 à 30 % plus chers que les plastiques d'origine pétrochimique. Cependant, l'augmentation de la part «ressources renouvelables» associée à l'augmentation des volumes de production aboutiront à une offre économiquement attractive.

Ces matériaux sont fréquemment à base d'amidon (polymère abondant, peu cher et aisément transformable) et de fibres (naturelles) de bois, de lin, de chanvre, de sisal ou de jute.

Les bioplastiques restent cantonnés à des usages limités, essentiellement dans l'emballage (en remplaçant par exemple le PET), qui concentre 90 % de l'activité[46].

Environnement

Outre qu'ils sont à l'origine d'une consommation importante de pétrole et d'une émission de gaz à effet de serre, les plastiques posent des problèmes environnementaux quand ils ne font pas l'objet d'un tri et d'un recyclage soignés, surtout quand ils contiennent du chlore (comme le PVC) et des métaux lourds toxiques tels le plomb ou le cadmium. Ici il s'agit de bouteilles s'accumulant dans les buissons du désert du Sinaï.

Bilan écologique

Si les écobilans des bouteilles et de nombreux objets sont toujours discutés, quelques impacts sont reconnus.

Phase de production

Phase d'utilisation

Au stade «déchet»

Recyclage

Principe du recyclage : les matières thermoplastiques, à la différence des matières thermodurcissables ou des élastomères, peuvent être récupérées, broyées et transformées pour être réutilisées (ici en Chine).

Le recyclage est un procédé de traitement des matériaux qui sert à réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des matériaux qui le composent[53]. La problématique quant au recyclage des polymères provient principalement du fait que ces derniers sont rarement utilisés seuls. Pour favoriser la mise en forme, les procédés industriels ont fréquemment recours à des plastifiants et des charges. Cependant, des nouveaux procédés permettent de recycler les polymères en fin de vie.

De par leur pouvoir calorifique élevé, ils permettent par incinération d'en obtenir une valorisation énergétique (production d'électricité ou de chaleur à usage industriel ou domestique). On peut aussi procéder par :

La plupart des emballages des produits de la vie quotidienne sont à base de matières plastiques. De nombreuses étapes de transformation du polymère sont pour cela nécessaires. Chaque opération ajoute une valeur au produit. La tendance constatée est que le coût de recyclage augmente énormément si on désire un matériau d'une grande pureté.

Pour aider au recyclage des articles jetables, la Société de l'industrie plastique a conçu en 1988 un dispositif de marquage par type de matière plastique, le code d'identification des résines. Un emballage utilisant ce dispositif est marqué d'un triangle fléché à l'intérieur duquel se trouve un numéro indiquant le type de plastique utilisé :

  1. PETE ou PET : polyéthylène téréphtalate : utilisé généralement pour les bouteilles d'eau minérale, de sodas et de jus de fruits, les emballages, les blisters, les rembourrages. Potentiellement dangereux pour l'usage alimentaire[54] ;
  2. HDPE ou PEHD : polyéthylène haute densité : certaines bouteilles, flacons, et d'une façon plus générale emballages semi-rigides. Reconnu comme sans danger pour l'usage alimentaire ;
  3. V ou PVC : polychlorure de vinyle : utilisé pour les canalisations, tubes, meubles de jardin, revêtements de sol, profilés pour fenêtre, volets, bouteilles de détergents, toiles cirées. Potentiellement dangereux pour l'usage alimentaire (peut contenir des dioxines, du bisphénol A, du mercure, du cadmium)  ;
  4. LDPE ou PEBD : polyéthylène basse densité : bâches, sacs poubelle, sachets, films, récipients souples. Reconnu comme sans danger pour l'usage alimentaire ;
  5. PP : polypropylène : utilisé dans l'industrie automobile (équipements, pare-chocs), jouets, et dans l'industrie alimentaire (emballages). Reconnu comme sans danger pour l'usage alimentaire ;
  6. PS : polystyrène : plaques d'isolation thermique pour le bâtiment, barquettes alimentaires (polystyrène expansé), couverts et gobelets jetables, boitiers de CD, emballages (mousses et films), jouets, ustensiles de cuisine, stylos, etc. Potentiellement dangereux, surtout en cas de combustion (contient du styrène)  ;
  7. OTHER ou O : tout plastique autre que ceux appelés de 1 à 6. Inclut par exemple les plastiques à base de polycarbonate ; les polycarbonates de bisphénol A sont potentiellement toxiques.

Notes et références

  1. La polymérisation radicalaire de l'éthylène fonctionne sous une pression de 150 à 300 MPa, soit ∼1 500-3 000 bar, l'amorceur étant l'oxygène moléculaire ou un peroxyde organique. Quelquefois, les réacteurs de polymérisation explosaient à la barbe de leurs manipulateurs.
  2. Pour affiner le procédé de fabrication, les responsables de Du Pont décidèrent de mobiliser pas moins de 230 chercheurs.
  3. Le sigle générique des polyuréthanes est PUR, mais les polyuréthanes thermoplastiques (à chaînes linéaires) sont fréquemment désignés par TPU.
  4. Le nom Buna correspond aux premières lettres de butadiène et de natrium, sodium en allemand (l'amorceur de la polymérisation anionique du butadiène est le sodium).
  5. L'ancien coureur cycliste anglais Chris Boardman a battu le record du monde de l'heure sur un vélo en Kevlar de 7, 1 kg en 1993.
  6. Les plastiques représentent 10 à 12 % du poids moyen des voitures (l'Usine nouvelle, no 2579 du 23 janvier 1997).
  7. L'industrie aéronautique fait surtout appel aux fibres peu denses de Kevlar (fibres non cassantes, d∼1, 45) et de carbone (d∼1, 74). A titre d'exemple, les matériaux composites représentent 35 % du poids de l'Airbus A400M.
  8. L'introduction de poudres d'aluminium dans les polyacétals ou les polyamides a permis d'obtenir des moulages conducteurs pouvant être plaqués avec des métaux.
  9. Les caractéristiques dépendent de la masse molaire, du procédé de fabrication, du taux d'humidité et du taux de cristallinité.
  10. Tf et Tr désignent la température de fusion d'un polymère semi-cristallin et la température de ramollissement d'un polymère amorphe, respectivement. Cette dernière peut être mesurée simplement en laboratoire par la méthode «bille et anneau».
  11. Température maximale d'utilisation en continu.
  12. Les silicones sont des polymères minéraux car constitués d'enchaînements -Si-O-.
  13. Certaines substances (monomères non polymérisés, résidus catalytiques, impuretés diverses, etc. ) peuvent être présentes involontairement dans la résine. Une phase de lavage de la résine peut les éliminer.
  14. [1] Entreprise française de chimie, Matières plastiques, 8e éd.  : 2009.
  15. L'indice de fluidité (MFI, voir plus loin), par exemple, est une mesure de masse molaire moyenne d'un échantillon de thermoplastique. Ces deux quantités sont inversement proportionnelles, ainsi un échantillon d'un indice de fluidité élevé, quoique facile à transformer, aura une résistance mécanique assez faible.
  16. Pour les matériaux thermoplastiques, les charges ne sont pas des substances indispensables ; c'est uniquement à partir de 1950, avec la crise de l'énergie, qu'elles ont été de plus en plus incorporées pour diminuer les coûts. Par contre, les matériaux thermodurcissables moulés ont toujours contenu des charges de nature et forme variées : ils sont généralement assimilés à des matériaux composites.
  17. La craie, particulièrement utilisée, est la charge la moins chère. Elle est fréquemment enrobée avec par exemple de l'acide stéarique pour perfectionner la dispersion dans la matrice.
  18. L'amiante, à cause des risques pour la santé, n'est plus utilisé.
  19. À propos de la future réglementation européenne sur les additifs des plastiques.
  20. Le matériau non réticulé peut être monocomposant [résine et durcisseur mélangés ; cuisson indispensable pour réticuler (déblocage thermique) ] ou bicomposant (durcisseur scindé de la résine ; ces deux produits ne sont mélangés qu'au moment de l'emploi).
  21. Les amines aromatiques sont interdites pour les matériaux à usage alimentaire.
  22. Une application de l'analyse thermogravimétrique (ATG) est orientée vers l'étude des domaines de stabilité thermique et des cinétiques de dégradation (influence d'additif antioxydant, dosage d'eau, de solvant) ou vers la mesure du taux de résine d'un matériau composite.
  23. Des retardateurs de flamme sont utilisés dans les composants qui chauffent ; par exemple, les PBB et les PBDE, deux groupes de produits chimiques bromés toxiques. Selon la directive RoHS, les équipements électriques et électroniques ne doivent pas contenir plus de 0, 1 % en poids de PBB et de PBDE.
  24. Les composants (boîtiers, supports de contact électrique, connecteurs, etc. ) en polymère sont beaucoup utilisés dans les secteurs particulièrement stricts de l'électricité et de l'électronique.
  25. Certains colorants organiques sont problématiques en injection. Ils influent sur la viscosité du mélange et sur le remplissage du moule. Ils doivent être stables à la température de mise en œuvre (quelquefois jusqu'à 280 °C). Exemples : azoïques et anthraquinoniques.
  26. Le noir de carbone ou carbon black est utilisé depuis très longtemps dans l'industrie des matières plastiques (divers types disponibles). Cette matière pulvérulente est à la fois un pigment, un stabilisant (à l'oxydation, aux ultraviolets ainsi qu'à la chaleur), une nanocharge de renforcement des propriétés mécaniques des élastomères et un conducteur électrique.
  27. Dans la structure linéaire, les chaînes moléculaires peuvent se déplacer plus aisément que dans la structure réticulée. Une structure tridimensionnelle, qui ne permet quasiment aucune rotation autour des liaisons, élève la rigidité moléculaire et par suite modifie les propriétés physico-chimiques.
  28. Le PVC est un polymère amorphe ou faiblement cristallin, selon les grades.
  29. Le retrait de la matière semi-cristalline est plus important que celui de la matière amorphe, car sa structure est plus compacte.
  30. A titre d'exemple, si on compare deux types de polymère, une valeur élevée d'indice de fluidité indique une transformation plus facile. Dans des procédés de transformation impliquant des vitesses de cisaillement élevées (par exemple le moulage par injection) un polymère d'indice important, et par conséquent de masse molaire peu élevée, doit être choisi (pour minimiser les pertes de charge dans les divers circuits d'alimentation, si la matière est injectée dans un moule).
  31. Pour ce modèle, la force maximale de verrouillage du moule est de 1 370 kN, soit ∼140 «tonnes» (unité fréquemment utilisée dans la profession)  ; le volume injectable de chaque unité d'injection est différent.
  32. Au débouché d'une filière d'extrudeuse, pour garder au profil une résistance mécanique suffisante, il faut utiliser un polymère de masse molaire suffisamment élevée.
  33. Pour les thermoplastiques, les pressions d'injection sont particulièrement élevées (de l'ordre de 50 à 180 MPa selon le matériau) mais aussi les cadences de production (cycle de 10 à 60 secondes par pièce, à peu près).
  34. La masse molaire du UHMWPE fluctue de 1 à 5•106 g•mol-1 (implants chirurgicaux, plaques pour remplacer la glace des patinoires, fibres solides pour la fabrication de gilets pare-balles, etc. ).
  35. Ces matériaux ne sont pas reconnus comme des matières «plastiques» car ils sortent du cadre de la plasturgie.
  36. La valence du motif monomère sert à classer les polymères en linéaires et tridimensionnels, mais certaines structures intermédiaires (polymères ramifiés, polymères lamellaires) ne peuvent que difficilement être assimilées à l'une ou l'autre catégorie.
  37. Liste provenant de sources diverses et en partie de : Hüthig Verlag - Regloplas AG/Motan GmbH, Temperaturtabellen-Temperature Tables-Tables de Températures, dans les séries «Plast Praxis», 13e éd., 2002, ISBN 3-7785-3019-4
  38. En partie selon H. Domininghaus, Les matières plastiques les plus usuelles, Hœchst AG.
  39. Les polyamides aliphatiques sont les plus produits [polycaprolactame (PA-6), polyhexaméthylèneadipamide (PA-6, 6)... ]. Le PA-11 (Rilsan®) est synthétisé à partir d'huile de ricin ; c'est un bioplastique biosourcé non-biodégradable.
  40. Le Surlyn est un ionomère : copolymère statistique d'éthylène avec 1 à 10 % d'un acide carboxylique insaturé (acide méthacrylique)  ; formation ionique avec des cations tels Na+, K+ ou Mg++ (vitres pare-balles... ).
  41. Copolymère CV-AV. La résine à à peu près 10 % d'AV était utilisée pour le pressage des disques microsillons.
  42. Copolymère 60 % CV-40 % acrylonitrile ; fibres ininflammables et résistantes aux agents chimiques (filtres industriels).
  43. Copolymère 85 % chlorure de vinylidène-15 % CV (code PVDC)  ; montre une très faible combustibilité [ILO (indice limite d'oxygène) = 60 (valeur particulièrement élevée, recherchée) ] (films d'emballage, filtres industriels, tissus d'ameublement, cordages résistants à l'eau).
  44. Leur thermostabilité est respectivement due à la présence de noyaux phénylènes, de fluor et de silicium.
  45. Le PVC, le PP et le PE ont des prix particulièrement bas, voisins d'un millier d'€/tonne (gros volumes de production)  ; à l'opposé, le PEEK ou certains polyimides coûtent à peu près cent fois plus cher (en 2008).
  46. Journée Technique Les Biopolymères se transforment ! du 16 octobre 2008, Pôle Européen de Plasturgie (PEP), Oyonnax.
  47. «La chimie menace la reproduction humaine», Le Monde, 25 novembre 2008, p. 1, 4.
  48. Allô maman bobo !, Le Nouvel Observateur, 25 septembre 2008 et [2].
  49. [pdf] Fiche INRS, Le point des connaissances sur le formaldéhyde, 3e éd., janvier 2008. Consultée le 25/01/10.
  50. Gregory, Kirk et Marbin, Pelagic tar oil, plastics and other litter in surface waters ot the New Zealand sector on the southern ocean, and on Ross dependency shores. New Zealand Antarctic Record, 6, 1984, no 1 (p. 131-143).
  51. (en) Photos d'albatros morts suite à l'ingestion d'objets en plastique sur l'atoll de Midway Sur les photos, «... pas une seule des pièces en plastique n'a été déplacée, positionnée, manipulée, arrangée ou altérée d'aucune façon» précise le commentaire en anglais.
  52. Géo, Spécial Méditerranée, groupe Prisma Presse, no 355 de septembre 2008.
  53. En France, 13 % des ordures ménagères sont recyclées, en 2008.
  54. Le Figaro. fr Faut-il bannir les bouteilles d'eau en plastique ?

Annexes

Bibliographie

Liens externes

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