Matière plastique

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Les matières plastiques sont constituées de chaînes polymérisées de molécules carbonées, aujourd'hui presque toujours dérivées de carbone fossile (pétrole) et dans lesquelles sont insérées diverses molécules d'additifs (colorants, agents assouplissant, anti-feu, pigments ou charge, qui atteignent souvent 50 % du poids du matériau commercialisé)

Les premiers plastiques industriels très résistants ont été produits à partir du lait. Un peu plus tard, la bakélite fut très utilisée au début du XX^e siècle, ici pour la 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 bien plus tôt

Caisses en matière plastique

Le plastique permet le moulage et soufflage de formes complexes, en séries industrielles (plasturgie). C'est ainsi que sont faites les bouteilles, avec des techniques très proches de celles utilisées pour les bouteiles de verre

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

Le plastique peut être broyé et utilisé pour produire un nouveau plastique. Il peut aussi être récupéré et réutilisé (ici en Chine)

Les élastomères sont des plastiques aux propriétés particulières

Les matières plastiques sont des matériaux organiques de synthèse fondés sur l'emploi des macromolécules (polymères). On peut considérer que les caoutchoucs sont à regrouper sous cette appellation, mais il est encore largement convenu qu'ils n'en font pas partie, compte-tenu notamment d'une mise en œuvre spécifique (la vulcanisation).

Matière plastique = résine de base + adjuvants + additifs

[modifier] Historique

Christophe Colomb apporte des plants de caoutchouc appelés ca-hu-chu par les Amérindiens.

• 1735 : Le naturaliste français Charles Marie de La Condamine découvre les propriétés du caoutchouc naturel au Pérou.
• 1838 : Henri Regnault synthétise du PVC, sans suite.
• 1839 : Charles Goodyear invente le procédé de vulcanisation (du caoutchouc par le soufre).
• 1862 : Alexander Parkes présente la Parkesine, l'un des plus anciens polymères synthétiques, lors de l'exposition internationale de Londres. Cette découverte est à la base de l'industrie plastique moderne.
• 1869 : Les frères Hyatt inventent le celluloïd qui est considéré comme la toute première matière plastique artificielle dont l'origine remonte à 1856 ou nitrate de cellulose (par nitration de la cellulose du bois puis mélange à chaud avec du camphre) suite à un embargo de boules de billard en ivoire pendant la guerre de Sécession aux États-Unis d'Amérique; mais ces 'ersatz', de faible qualité, furent remplacés dès 1890 par des boules en galalithe.
• 1880 : invention du Polychlorure de vinyle (PVC).
• 1889 : un chimiste français, Jean-Jacques Trillat, travaillant sur la caséine du lait réussit à la durcir et obtient la galalithe ou « pierre de lait ». Cette matière est plus dure que la corne, plus brillante que l'os et plus soyeuse au toucher que l'ivoire. Bientôt toutes les boules de billard seront en galalithe. Après-guerre, en 1918, commence la fabrication d'articles courants, comme le bouton, le bijou fantaisie, le fume-cigarette où encore le stylo.
• 1890 : Les Britanniques Cross et Bewan découvrent la viscose en dissolvant de l'acétate de cellulose dans du chloroforme.
• 1905 : acétate de cellulose ou rhodoïd.
• 1907 : la bakélite est découverte par le Belge Leo Hendrik Baekeland.
• 1908 : la cellophane.
• 1927 : polyméthacrylate de méthyle (PMMA), commercialement connu sous les noms de plexiglas et d'altuglas.
• 1930 : le polystyrène et le polyamide par Wallace Carothers (Nylon ®) travaillant pour Dupont de Nemours ®. Ce fut le premier plastique technique à haute performance.
• 1933 : le polyéthylène basse densité.
• 1938 : le polytétrafluoroéthylène (Téflon ®), qui offre une grande résistance à la corrosion et à la chaleur.

Et, durant la Seconde Guerre mondiale qui exacerba les besoins en matières premières :

• 1940 : le polyuréthane.
• 1941 : la mélamine (qui fait partie de la grande famille des résines aminées dérivées de l'urée et des cyanamides) par des compagnies telles que Ciba ® et Henkel ® mais sans véritable succès commercial. Ses propriétés exceptionnelles de résistance à la chaleur, à la lumière, aux produits chimiques, à l'abrasion et au feu expliquent son succès dans l’immédiat après-guerre.
• 1941 : le silicone.

Pour couvrir ses besoins, l'Allemagne, rapidement privée de ses ressources de latex naturel, avait produit, durant la Première Guerre mondiale, le Buna, un ersatz plutôt médiocre de cette substance. Ces recherches sur de nouvelles matières plastiques se poursuivirent au cours de la Seconde Guerre mondiale 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 : nouvelles polyamides, polycarbonates, acétals, résines époxyde en 1947.

Puis les découvertes de nouvelles matières se firent plus rares :

• 1953 : le polyéthylène haute densité par le chimiste allemand Karl Ziegler.
• En 1954 : un an plus tard, le polypropène, ou plutôt polypropylène, était mis au point par le chimiste italien Giulio Natta. Ces deux scientifiques se partagèrent en 1963 le prix Nobel de chimie grâce à leurs études sur les polymères. Ces deux dernières matières plastiques, le polyéthylène et le polypropylène, étaient les plus produites en l'an 2000.
• Le polycarbonate.
• L'ABS ® plus résistant et plus brillant tend peu à peu à remplacer la mélamine. C'est une matière plus noble que le polystyrène, très utilisée en habillage d'équipements électroménagers et parfois en emballage (couvercles). Elle s'utilise également en accessoires de salles de bains et dans l'industrie. Existe aussi en version translucide (M-ABS dit ABS transparent).
• Le Kevlar est un polyamide très résistant :
  • aux chocs (gilet pare-balles et vitre pare-balles, couche anti-perçage) ;
  • au feu : casques et vestes des sapeurs-pompiers, gants de cuisine, etc. Il faut avouer que son grand succès en ce domaine est aussi dû à l'interdiction de l'amiante.

[modifier] Impacts environnementaux

Si les écobilans des bouteilles et de nombreux objets sont encore discutés, quelques impacts sont reconnus:

• Un premier impact, indirect, est dû aux hydrocarbures fossiles (pétrole en particulier) utilisés pour la fabrication des matières plastiques. Ce sont des sources importantes de gaz à effet de serre.
• De nombreux additifs toxiques (plomb, cadmium, chlore en particulier) sont utilisés pour fabriquer certaines matières plastiques courantes, dont le PVC.
• Un autre problème est posé par le fait que les plastiques, à la différence des polymères naturels sont peu dégradables et mal biodégradés. Certains de leurs additifs constitués de métaux lourds sont non biodégradables. Dans les années 1980, on a constaté que des milliards de petits fragments de plastiques étaient présents jusque dans l'océan austral, bien au sud de la convergence antarctique, en mer de Ross ^[1] On en a depuis trouvé dans toutes les mers du globe. On ignore quel impact environnemental ils peuvent avoir à moyen et long terme. Dans ces zones éloignées, de nombreux albatros meurent le gésier plein de dizaines de jouets de plastiques qu'ils ont ingéré en mer.
• Enfin, la combustion de la plupart des matières plastiques libère de nombreux polluants et toxiques, en particulier lorsqu'il s'agit de PVC (organochlorés dont dioxines et furanes, mais aussi des métaux lourds qui constituent jusqu'à 50 % du poids de nombreux plastiques, comme additif anti-UV et colorant).

[modifier] Recyclage

Le recyclage est un procédé de traitement des matériaux qui permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des matériaux qui le composent. La problématique quant au recyclage des polymères provient essentiellement du fait que ces derniers sont rarement utilisés seuls. Pour faciliter la mise en forme, les procédés industriels ont souvent 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 après incinération de récupérer de l'énergie (utilisation pour chauffage domestique,etc...). On peut aussi procéder par:

• traitement mécanique (lavage,tri,broyage,séparation).
• traitement thermo-chimique (solvolyse,pyrolyse,réaction chimique).

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 considérablement si l'on désire un matériau d'une grande pureté.

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

1. PETE ou PET : Polyéthylène téréphtalate : utilisé habituellement pour les bouteilles d'eau et de jus de fruits, les emballages, mais également les rembourrages. Potentiellement dangereux pour l'usage alimentaire.
2. HDPE ou PE-HD : Polyéthylène à haute densité : certaines bouteilles, flacons, et plus généralement emballages rigides. Considéré comme sans danger pour l'usage alimentaire.
3. V ou PVC : Polychlorure de vinyle : utilisé pour certaines bouteilles d'eau, pour des tuyaux en plastique, des meubles de jardin ou des bouteilles de détergents. Potentiellement dangereux pour l'usage alimentaire (peut contenir des dioxines, du Bisphénol A, du mercure, du cadmium).
4. LDPE ou PE-LD : Polyéthylène à basse densité : nombreux sacs, sacs poubelles, sachets, films, récipients souples. Considéré comme sans danger pour l'usage alimentaire.
5. PP : Polypropylène : utilisé dans l'industrie automobile (équipements, pare-chocs) mais également dans l'industrie alimentaire (emballage de beurre, yaourt, sirops). Considéré comme sans danger pour l'usage alimentaire.
6. PS : Polystyrène : couverts et verres jetables, boitier CD, emballages. Potentiellement dangereux, notamment en cas de combustion (contient du styrène).
7. OTHER ou O : tout plastique autre que les catégories précédentes. Inclus les plastiques à base de polycarbonate. Potentiellement toxique notamment dans le cas de l'utilisation de Polycarbonate à base de Bisphénol A.

[modifier] ^[2] Chimie et composition generale

La matière de base (la résine) est un mélange de molécules en longues chaînes appelées polymères.

En plus de la résine, les additifs et adjuvants sont là pour améliorer les propriétés chimiques et physiques du matériau, notamment la résistance aux chocs, la couleur, la plasticité, la résistance au vieillissement, etc.

• la résine de base.
• les adjuvants et additifs.
  • plastifiants : en général liquides ou visqueux, permettent de rendre la résine souple et élastique.
  • lubrifiants : facilitent le moulage.
  • pigments : donnent la couleur du plastique.
  • stabilisants : retardent la dégradation du plastique, résistance aux ultraviolets (sels métalliques de plomb, étain, baryum, sodium, etc.).
  • charges ou renforts : diminuent le coût, augmentent la résistance mécanique (marques kevlar et teflon).
    • charges minérales : carbonate de calcium, talc, amiante, graphite, silice, fibre de verre, mica, etc.
    • charges organiques : farine de bois, fibres naturelles ou synthétiques, etc.
  • anti-statique : s'oppose aux dépôts de poussières en rendant le plastique conducteur en surface.
  • fongicide : résistant aux micro-organismes, asepsie.
  • ignifugeant : retardant la propagation des flammes.
  • solvants : pour peintures (enduction).

[modifier] Familles de matières plastiques.

[modifier] Thermoplastique

Les thermoplastiques se déforment et sont façonnables sous l'action de la chaleur, gardant cette forme en refroidissant. Cette propriété permet leur recyclage : les objets sont broyés et refondus pour en élaborer d'autres.

Les plus répandus sont le polychlorure de vinyle, le polystyrène (jouets, ustensiles de cuisine, etc.), les acryliques, les polyamides, les polyoléfines (polypropylène,

[modifier] Thermodurcissable

Les thermodurcissables prennent leur forme définitive au premier refroidissement, sans réversibilité. Les plus célèbres sont les phénoplastes (bakélite), les aminés (mélamine).

[modifier] Élastomère

Les élastomères sont des polymères présentant les mêmes qualités élastiques que le caoutchouc. Ils sont employés dans la fabrication des coussins, de certains isolants ou des pneus, ce sont des matériaux très résistants.

[modifier] Principaux plastiques

Voir aussi la liste des codes des plastiques, caoutchouc et latex.

[modifier] Techniques de transformation

• Moulage par injection
• Extrusion : extrusion-calandrage, extrusion-gonflage, extrusion de profil, extrusion cast
• Calandrage
• Rotomoulage
• Thermoformage
• Expansion
• Compression
• Stratification (Composites)
• Moussage
• Enduction de supports divers (métaux,textiles...)
• Usinage
• Soudage (par lame chaude, friction, haute fréquence...)
• Granulation (broyage pour recyclage)
• Agglomération (ou densification) : récupération, par reformage, de déchets de faibles épaisseurs (films ou équivalent)
• etc.

Traitement(s) de surface

• fluidisation enrobage - traitement de surface - application sols
• métallisation
• traitement corona (permet l'impression)
• fluorisation

[modifier] Propriétés

[modifier] Les propriétés thermiques

On peut classer les polymères en deux types, en fonction de leur réaction à la chaleur : les thermodurcissables et les thermoplastiques.

Les thermoplastiques se ramollissent quand on les porte à haute température. C'est le cas des polyoléfines (PE,PP). Une fois fondus on peut les mettre aisément en forme par injection, thermoformage ou extrusion.

Les thermodurcissables durcissent quand on les chauffe. On peut citer les résines polyépoxydes, et certains polyuréthanes. Dans le domaine des peintures, c'est une propriété très souvent utilisée car la montée en chaleur entraîne une réaction de polymérisation tridimensionnelle qui crée des pontages et durcit de manière irréversible le polymère.

[modifier] Les propriétés mécaniques

Lorsque les matériaux plastiques sont observés en service, on se rend compte qu’ils sont soumis à des contraintes et à des forces qui provoquent des déformations qui peuvent dans certains cas conduire à la rupture des matériaux. Le comportement en service des matériaux définit leur propriétés d’usage. Mais il est important de connaitre les propriétés intrinsèques, inhérentes aux matériaux afin de faire un choix judicieux du matériel le 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 de tests comparatifs, normalisés. En général, on utilise les normes ASTM, BNQ ou des normes maisons lorsque les tests sont directement liés aux propriétés d’usage. Les propriétés mécaniques sont ensuite utilisées pour pronostiquer les propriétés finales des objets finis. Cependant, certains paramètres structuraux liés à la transformation des matières plastiques tels que le degré de cristallinité, l’orientation des chaînes macromoléculaires, les tensions internes résultant des conditions de refroidissement, etc… peuvent influencer les propriétés de l’objet. Ces propriétés sont appelées propriétés de transformation.

On peut résumer les propriétés du matériau comme suit :

• PROPRIÉTÉS INTRINSÈQUES (propres au matériau)
• PROPRIÉTÉS DE TRANSFORMATION (fonction des méthodes et conditions de mise en œuvre)
• PROPRIÉTÉS D’USAGE (définies par les conditions d’utilisations)

Un grand nombre des paramètres utilisés pour caractériser les matières plastiques découle des techniques de caractérisation des métaux tels que le module d'élasticité, la résistance à la traction et l'allongement à la rupture. Afin de caractériser ces derniers, il existe différents types d'essais mécaniques tels que:

Courbe contrainte-déformation

• Essai de traction
• Essai de compression
• Essai de torsion

Un simple essai de traction permet de faire ressortir certains des paramètres mécaniques de nombreux polymères. Ils se répartissent d'après leur comportement contrainte-déformation, en trois catégories générales: rigides (fragiles), plastiques ou élastomériques. Le graphique intitulé « courbe contrainte-déformation » met en évidence ces trois catégories, la courbe A illustre le caractère en contrainte-déformation d'un polymère rigide dont la rupture se produit quasi simultanément à la limite élastique, la courbe B montre que le comportement des matériaux plastiques est semblable à celui de nombreux matériaux métalliques: La déformation élastique initiale est suivie d'une déformation plastique. Pour sa part, la courbe C correspond à une déformation entièrement élastique qui caractérise une classe de polymères appelés des élastomères.

Les matières plastiques ne sont ni aussi résistantes ni aussi rigides que les métaux et ont des propriétés mécaniques influencées par les facteurs suivant :

Influence de la température

• La cohésion des polymères
• La température
• La modification des propriétés mécaniques moléculaires des polymères
• Les conditions de transformation des polymères

Le module d'élasticité et l'allongement à la rupture des polymères se déterminent de la même façon que les métaux. La limite d'élasticité Re des polymères plastiques équivaut à la valeur maximale de la courbe, qui se situe à la toute fin de la région élasticité linéaire. De plus, la résistance à la traction Rm correspond à la contrainte entrainant une rupture et peut prendre une valeur supérieure ou inférieure à Re. Il est important de rappeler que les caractéristiques mécaniques des polymères dépendent fortement des variations de température de part et d'autre de la température ambiante comme le montre le graphique « Influence de la température » :

[modifier] Notes et références

[modifier] Voir aussi

[modifier] Articles connexes

• Pétrochimie
• Plastique
• Polymère
• Science des matériaux

[modifier] Liens externes

• SIGMASOFT Logiciel de simulation d'injection des polymères 3D
• Abréviations de nombreux polymères
• « CAMPUS. Material information system for the plastics industry » (en anglais)
• Un reportage sur des routes bâties avec des sacs en plastique

Formation

• École Européenne de Chimie, Polymères et Matériaux à Strasbourg
• Institut Supérieur de Plasturgie d'Alençon (Orne)

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