Matière plastique

Pour les articles homonymes, voir Plastique.

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

Une matière plastique ou en langage courant un plastique, est un mélange contenant une matière de base (un polymère) qui est susceptible d'être moulé, façonné, en général à chaud et sous pression, afin de 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 le mot plasma.

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

Les textiles (fils et fibres) ainsi que les élastomères ne sont pas des matières plastiques proprement dites.

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 un grand nombre 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 très 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 bien plus tôt.

Si l'on peut faire remonter l'histoire des matières plastiques à l'Antiquité, c'est surtout à partir de la fin du XIX^e siècle que leur utilisation se développe avec la mise au point de plastiques synthétiques. Des centaines de chercheurs et de bricoleurs de génie sont à l'origine de cet essor. Les premiers plastiques, artificiels, résultaient de la transformation chimique de polymères naturels tels 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 :

• au XV^e siècle av. J.-C., les Égyptiens employaient des colles à base de gélatine, caséine ou albumine. Ils utilisaient de la gélatine d'os pour le collage du bois. Un document daté de 1470 av. J.-C. décrit la fabrication de la colle d'os dans la construction du mobilier^[1],[2] ;
• fin du XV^e siècle : Christophe Colomb apporte des plants de caoutchouc appelés Cao (bois) tchu (qui pleure) par les Amérindiens^{[réf. nécessaire]} ;
• 1736 : les naturalistes français Charles Marie de La Condamine et François Fresneau de La Gataudière découvrent le caoutchouc naturel dans le bassin amazonien un peu par hasard ;
• 1835 : Henri Victor Regnault découvre par accident la réaction de polymérisation du chlorure de vinyle ;
• 1839 : l'Américain Charles Goodyear découvre par sérendipité le procédé de vulcanisation du caoutchouc naturel par le soufre ;
• 1862 : l'Anglais Alexander Parkes (en) présente la Parkésine (en) (issue de la cellulose), l'un des plus anciens polymères artificiels, lors de l'Exposition universelle de Londres. Cette découverte est à la base de l'industrie plastique moderne ;
• 1870 : les frères Hyatt inventent le Celluloïd (utilisé dans les balles de tennis de table) qui est considéré comme la première matière plastique artificielle, dont l'origine remonte à 1856. Il est obtenu en plastifiant la nitrocellulose (issue de la nitration de la cellulose du bois) à chaud par le camphre. Il fait suite à un embargo de boules de billard en ivoire pendant la guerre de Sécession aux États-Unis d'Amérique ;
• 1884 : Hilaire de Chardonnet invente la viscose en dissolvant de l'acétate de cellulose dans du chloroforme ;
• 1892 : le scientifique français Auguste Trillat, travaillant sur la caséine du lait, réussit à la durcir en y ajoutant du formol, et obtient la « pierre de lait », un polymère thermodurcissable semi-synthétique. En 1897, la Galalithe est inventée par le scientifique allemand Wilhelm Krische et le chimiste autrichien Adolf Spitteler. 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. En 1918, commence la fabrication d'articles courants, comme le bouton, le bijou fantaisie, le fume-cigarette ou encore le stylo ;
• 1907 :
  • le chimiste belge, naturalisé américain Leo Baekeland découvre les résines formo-phénoliques (sous le nom commercial de Bakélite), les plus anciens polymères synthétiques industriels ; produites par polycondensation du phénol et du formaldéhyde (famille des phénoplastes) ; utilisées à l'origine pour les boîtiers de téléphone, coques de rasoir, poignées de casserole, prises électriques, cendriers, etc. ;
  • la même année, le chimiste allemand Fritz Hofmann réalise les premiers caoutchoucs synthétiques en polymérisant des diènes conjugués ;
• 1908 : découverte de la cellophane par le chimiste suisse Jacques Brandenberger ;
• 1919 : le chimiste allemand Hermann Staudinger, prix Nobel de chimie en 1953, introduit la notion de macromolécule puis réalise la polymérisation de nombreux monomères éthyléniques. Il peut être considéré comme le père de la science macromoléculaire ;
• 1920 : premières études des réactions phénol-épichlorhydrine par Paul Schlack de la société IG Farben, conduisant aux résines époxyde ;
• 1931 : première fabrication industrielle du polychlorure de vinyle (PVC) ;
• 1932 : après plus de vingt ans de recherches, développement par Otto Röhm et Haas, en collaboration avec la société IG Farben, d'un grand nombre de dérivés polyacryliques, dont le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), commercialement connu sous le nom de Plexiglas ; utilisation : feux arrière et de clignotant, certains carters de véhicule, hublots d'avion, fibres optiques, enseignes lumineuses ;

Cageots en matière plastique courante (base PE ou PP).

• 1933 : obtention par polymérisation radicalaire du polyéthylène basse densité (PEBD) (LDPE pour les Anglo-saxons) (densité d~0,92) par les ingénieurs anglais Eric Fawcett et Reginald Gibson de la firme ICI en opérant sous très haute pression à environ 200 °C^[3]. Le polyéthylène ou polyéthène (PE) est la seule polyoléfine qui puisse être obtenue par voie radicalaire ;
• 1935 :
  • les polyamides (PA) (connus sous le nom de nylon^[4]) sont sortis des éprouvettes du chimiste américain Wallace Hume Carothers travaillant pour Du Pont de Nemours^[5]. En 1938, la firme annonce officiellement la découverte d'une fibre synthétique « aussi solide que l'acier, aussi fine que la toile d'araignée, et d'un magnifique éclat ». Ce fut le premier plastique technique à haute performance, avec en particulier un coefficient de friction faible. Applications : fait ses preuves dans les parachutes des G.I. au moment du Débarquement, puis utilisé dans la confection de bas ; engrenages, cages de roulement à billes, corps de perceuse, têtes de maillet, visserie plastique, semelles de chaussures de football ;
  • fabrication industrielle du polystyrène (PS) à Ludwigshafen, suivie d'un rapide développement en Allemagne ;
• 1936 : la société Rhône-Poulenc crée le Rhodoïd, à base d'acétate de cellulose ;
• 1937 : Otto Bayer synthétise les premiers polyuréthanes, aussi appelés polycarbamates^[6] ; applications : adhésifs, fibres Spandex, « mousses » pour matelas et coussins, sièges d'automobile, etc. ;
• 1938 : Roy Plunkett, un chimiste américain de Du Pont de Nemours, découvre par hasard le polytétrafluoroéthylène [formule moléculaire (-CF₂-)_n] (PTFE) (principalement connu sous le nom commercial de Téflon ; présent dans le goretex^[4]), un isolant qui offre une excellente résistance chimique et à la chaleur (stable jusqu'à 250 °C en service continu, avec pointes possibles à 300 °C). Isolant étanche, il sert dans l'industrie nucléaire militaire, avant de recouvrir dans les années 1960 les poêles à frire des cuisines (application de son pouvoir antiadhésif) ; joints d'étanchéité.

La Seconde Guerre mondiale exacerba les besoins en matières premières :

• 1941 :
  • la résine « mélamine-formol », alias Formica, envahit les cuisines. Cette résine très dure fait partie de la famille des aminoplastes. Elle a été développée dans les années 1930 et 40 par des firmes telles American Cyanamid, Ciba et Henkel, mais sans véritable succès commercial. Ses propriétés élevées de résistance à la plupart des produits chimiques, à la chaleur, à la lumière, à l'abrasion et au feu expliquent son succès dans l'immédiat après-guerre. Les aminoplastes sont par ailleurs utilisés comme adhésifs/liants dans l'industrie du bois ;
  • les silicones (SI), thermostables dotés de propriétés antiadhésives ; utilisation dans les industries électrique, aéronautique et du biomédical (isolants électriques puis fluides amortisseurs dans les trains d'atterrissage des avions, chirurgie plastique, huiles de moteur, mastics, peintures, cosmétiques, etc.) ;
  • découverte du polytéréphtalate d'éthylène (PET, PETE) par John Rex Whinfield et James Tennant Dickson.

Pour couvrir ses besoins, l'Allemagne, rapidement privée de ses ressources en latex naturel, avait produit durant la Première Guerre mondiale du caoutchouc Buna^[7], un ersatz de cette substance. Ses recherches sur de nouvelles matières se poursuivirent au cours de la Seconde Guerre mondiale (réalisées notamment par IG Farben) et, en 1945, la production de caoutchouc synthétique 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 poly(carbonate de bisphénol A) et les polyacétals.

Puis les découvertes de nouvelles matières se firent plus rares :

• 1950 : synthèse des premiers copolymères du polystyrène, marquant une nette amélioration des qualités du PS homopolymère (tenue au choc en particulier, température limite d'utilisation, tenue aux solvants organiques) ;

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.

• 1953 :
  • les chercheurs Bottenbruch, Krimm et Schnell de Bayer AG découvrent le polycarbonate (PC), un polymère très transparent et extrêmement résistant aux chocs. Il a équipé le casque des astronautes pour la mission Apollo 11 en 1969. Utilisation : dans plus de 80 % des visières de casque de moto, CD, biberons incassables, phares d'automobile, profilés de toiture, vitres de cabine téléphonique, vitres pare-balles, châssis d'ordinateurs portables, etc. ;
  • le chimiste allemand Karl Ziegler et son équipe découvrent fortuitement un système catalytique permettant la polymérisation linéaire de l'éthylène (ou éthène) sous pression modérée (de l'ordre de 2 à 3 MPa), produisant le polyéthylène haute densité (PEHD, densité~0,95) au faible degré de ramification ;
• 1954 : un an plus tard, le chimiste italien Giulio Natta met au point, utilisant les catalyseurs « Ziegler », le polypropylène (ou polypropène) isotactique (PP ou PPi pour le différencier du polypropène syndiotactique de sigle PPs). Ziegler et Natta se partagent le prix Nobel de chimie en 1963 grâce à leurs travaux en science des polymères. Remarque : le PP atactique présente peu d'intérêt économique ;
• 1955 : travaux de la société Phillips Petroleum sur la polymérisation linéaire coordinative sous relativement basse pression de l'éthylène, grâce aux catalyseurs stéréospécifiques, fournissant le PEHD ;
• 1961 : commercialisation de l'Estane (BF Goodrich), un polyuréthane thermoplastique (TPU en anglais). Autre exemple d'élastomère thermoplastique (TPE ou TPR en anglais) : le copolymère séquencé (copolymère bloc) SBS ou poly(styrène-b-butadiène-b-styrène) ;
• 1965 : découverte par les chercheurs Stephanie Kwolek et Herbert Blades de la firme Du Pont de Nemours d'un « super-nylon », le Kevlar, une fibre aramide légère et particulièrement résistante^[8] :
  • à la déchirure et aux chocs : gilets et vitres pare-balles, couches anti-perçage ;
  • au feu : casques et vestes des sapeurs-pompiers, gants de cuisine, etc. Son grand succès dans ce domaine est aussi dû à l'interdiction de l'amiante ;
  • à la corrosion (voiles, amarres de pétrolier) ;
• dans les années 1990, le terpolymère ABS tend peu à peu à remplacer les résines « mélamine-formol ». C'est une matière plus noble que le polystyrène, très utilisée en habillage d'équipements électroménagers (corps d'aspirateur), pour jouets rigides, enjoliveurs, parfois en emballage (couvercles), en accessoires de salles de bains et dans l'industrie ;
  • l'ABS existe aussi en version translucide (M-ABS dit ABS transparent) ;
  • il est métallisable par galvanoplastie pour imiter l'aluminium ; utilisation : contenants en cosmétique… ;
  • il peut être mélangé avec du polycarbonate pour former un mélange de polymères PC/ABS (noms commerciaux Anjablend A, Bayblend, Pulse) (pièces pour automobiles). Le Noryl est un autre exemple de mélange polymère-polymère ;
• 2000 : pour le développement des polymères conducteurs intrinsèques, les chercheurs Alan Heeger, Alan MacDiarmid et Hideki Shirakawa sont récompensés par le prix Nobel de chimie.

Depuis une trentaine d'années, les automobiles, 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^[9].

Les plastiques armés (matériaux composites) [typiquement les résines polyesters et époxyde renforcées fibres de verre (verre : d~2,5)], plus légers à résistance égale que l'acier ou l'aluminium, et insensibles à la corrosion, sont des matériaux non traditionnels. Certains types sont de plus en plus utilisés dans le secteur aéronautique^[10].

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

Technique

Caractéristiques

Les propriétés des matériaux plastiques ne cessent de s'améliorer.

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

• la densité des matières plastiques non expansées est nettement plus faible que celle des métaux (hors magnésium) : de 0,83 (cas du poly-4-méthyl-pentène-1 désigné par PMP) à 2,15 (PTFE), avec 1,2 comme valeur moyenne. La densité d'un polymère est directement fonction du taux de cristallinité. Par ailleurs, la rigidité et la résistance mécanique augmentent avec ce taux ;
• température de transformation plus basse : couramment comprise entre 100 °C (le PS est facile à travailler : extrudable dès 85 °C) et 300 °C (le PC est injecté vers 300 °C). Les bioplastiques sont transformés de 160 à 200 °C, contre environ 220 °C pour des compounds ordinaires équivalents ;
• élasticité plus élevée (jusqu'à 800 % d'allongement à la rupture pour le PEHD) ;
• thermostabilité des polymères thermoplastiques nettement inférieure à celle des métaux. Rares sont les plastiques résistant à plus de 250 °C pendant de longues périodes dans l'air. Des modifications structurales, particulièrement parmi les matières thermoplastiques, permettent d'élargir le domaine thermique d'utilisation vers les basses ou hautes températures ;
• module d'élasticité plus faible (le module du PEBD est peu élevé : E~200 MPa ; à l'opposé, les aminoplastes présentent un module très élevé). Une incorporation croissante de fibres augmente le module d'élasticité et la contrainte à la rupture (ténacité) du composite. La dilatation thermique des matériaux est inversement proportionnelle à leur module de traction. Le coefficient de dilatation des polymères thermoplastiques est supérieur à celui des métaux ;
• tenue (ou résistance) aux agents chimiques : en règle générale, les polymères résistent aux acides et aux bases [grande inertie chimique du PTFE et du PE (en raison de sa structure paraffinique)]. Ils sont cependant sensibles aux solvants (bonne tenue du PTFE, PBT et PA-6,6) ;
• les polymères ont un comportement viscoélastique. En effet, ils démontrent simultanément des propriétés élastiques et un caractère visqueux. Dans ce dernier cas, la matière s'écoule en réponse à une contrainte ;
• certains plastiques sont des amortissants vibratoires ; exemples : ABS, copolymère bloc SIS [ou poly(styrène-b-isoprène-b-styrène)] ; intérêt en vibroacoustique ;
• la plupart des polymères thermoplastiques amorphes non chargés (et non colorés…) sont transparents (PMMA, PC, PS « cristal », etc.) ;
• certains plastiques manifestent une grande résistance à l'impact (PC, PET, PMMA, etc.) ;
• certains sont résistants à l'abrasion (PTFE, PVC rigide, polyamides, PET, aminoplastes, etc.). Le PTFE possède un coefficient de friction particulièrement faible qui lui permet d'être un lubrifiant solide ;
• des déchets plastiques très stables peuvent rester des siècles durant dans l'environnement ; ils peuvent cheminer dans des organismes et ceux qui se fixent ont un effet inconnu.

Les matrices organiques sont des isolants thermiques et électriques, ainsi que les fibres de renfort (sauf fibres de carbone)^[11] :

• la conductivité thermique des polymères est environ cent fois plus faible que celle des métaux ; ainsi, beaucoup de matières plastiques, en particulier les mousses, sont utilisées comme isolants ;
• conductivité électrique très faible ; les plastiques servent traditionnellement pour l'isolation de fils et câbles électriques (PTFE, PEHD).

Chimie et composition générale

Notions de chimie macromoléculaire

Les plastiques prêts à l'emploi sont souvent constitués de longues chaînes carbonées^[15]. Ils sont en général 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^[16]. Les résines des matières plastiques sont issues de produits intermédiaires (éthylène, propylène, acétylène, benzène, etc.) dont les matières premières sont le pétrole (notamment grâce au procédé de vapocraquage du naphta), le gaz naturel^[17] et le charbon.

Un polymère est une substance composée de macromolécules. Une chaîne polymère est constituée d'un grand nombre 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^[18].

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

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

• les polymères monodimensionnels (linéaires ou ramifiés) résultent de la polymérisation de monomères bivalents ;
• les polymères tridimensionnels sont formés par polymérisation de monomères dont la valence moyenne est supérieure à deux, ou par réticulation (par voie chimique ou physique) de polymères linéaires.

La polymérisation est un processus important dans l'industrie chimique car les polymères en résultant doivent présenter les propriétés souhaitées, notamment, 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 :

• les polymérisations par étapes, faisant appel à des polycondensations (conduisant par exemple aux polyamides ; la réaction se fait par élimination de molécules simples, surtout l'eau) ou à des polyadditions (pour produire par exemple les polyuréthanes). Les polymères obtenus contiennent souvent des hétéroatomes caténaires, tels les polyamides avec l'atome d'azote ;
• les polymérisations en chaîne. Suivant le type de centre actif, on distingue les polymérisations radicalaires, cationiques, anioniques ou coordinatives (dans ce quatrième cas, le centre actif propageant est un complexe de coordination entre le monomère et un atome de métal de transition tel le titane ou le zirconium). Cette seconde catégorie concerne essentiellement des monomères vinyliques qui conduisent à des polymères constitués d'enchaînements -C-C-.

Pour améliorer certaines propriétés, les matières plastiques du commerce sont parfois 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 procédés 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 souvent 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 améliorer ses caractéristiques (résistance thermique, au feu, chimique, aux chocs ou au vieillissement, masse volumique, couleur, etc.) ou sa mise en œuvre (souplesse…)^[19].

La formulation doit être non toxique. Une fiche de données de sécurité (FDS) de la préparation doit parfois être fournie 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 distingue (liste non exhaustive) :

• la(les) résine(s) de base : apporter de la cohésion au matériau ;
• les charges : diminuer le coût de la pièce, améliorer certaines propriétés mécaniques ou des propriétés spécifiques ; jusqu'à plus de 100 % d'incorporation en masse dans le matériau polymère pour certains plastisols. Les améliorations sont d'autant plus marquées que la granulométrie est fine. On relève :
  • charges d'origine minérale (souvent utilisées) en poudre : carbonate de calcium naturel^[20], silices naturelles, silice synthétique (amorphe, agent thixotropique), talc, argile, kaolin, noir de carbone, graphite, barite (d~4,4), ferrite de baryum, etc.,
  • charges organiques : farine de bois (faible coût) ou d'écorce de fruits, pâte de cellulose, amidon (améliore la biodégradabilité), poudre élastomère (antichoc), etc.,
  • charges métalliques : rendre la matrice organique partiellement conductrice (ajout de poudres ou paillettes d'aluminium, cuivre, zinc, etc.),
  • charges renforçantes fibreuses : améliorer les caractéristiques mécaniques, la tenue thermique et la stabilité dimensionnelle du matériau composite (diminution du retrait) (fibre de verre, mica, etc.)^[21],
  • charges renforçantes non fibreuses ; les charges sphériques les plus utilisées sont les « microbilles » de verre creuses : allègement (car billes creuses), meilleures rigidité et tenue en compression de la résine chargée,
  • nouvelles applications :
    • argile nanométrique (très fine), incorporée jusqu'à 5 % (pour nanocomposites et emballages de bouteilles),
    • céréales : améliorer la recyclabilité (jusqu'à 50 % d'incorporation),
    • lin : augmenter la dureté du polypropylène ;
• le(s) plastifiant(s) : diluant(s) peu volatil(s) de faible masse molaire, à l'état solide, ou à l'état liquide (plus ou moins visqueux) ; ils rendent en particulier le composé obtenu plus flexible, plus résilient et diminuent la température de transition vitreuse et la température de mise en œuvre ; ajouté(s) en proportion variable (d'une faible proportion jusqu'à 50 % d'incorporation dans certains plastisols) (phtalates, adipates, sébaçates, phosphates, polyesters, etc.) ;
• les additifs.

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. Faute de réglementation internationale et dans l'attente de l'application du règlement REACH, ils sont essentiellement 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 est une liste positive (les produits non listés sont interdits) depuis le 1^er janvier 2010. Une liste ancienne est consultable^[22].

Exemples d'additifs :

• système de réticulation (pour synthétiser des polymères tridimensionnels) : permettre la formation d'un réseau tridimensionnel (réticulation) à partir de polymères linéaires ; contient durcisseurs, catalyseurs, accélérateurs, etc.^[23] ;
• stabilisants : retarder la dégradation du polymère ; stabilisants au dioxygène (antioxydants ; tels certains phénols à encombrement stérique ou la diphénylamine^[24] ; pour les ABS, PE, PS, etc.), à l'ozone (antiozonants ; concerne par exemple les polymères issus du butadiène), stabilisants thermiques pour la mise en œuvre et pour la résistance à la chaleur en utilisation (pour les PVC, PMMA, etc.), lumière (anti-UV ; tels les absorbeurs UV et les désactivateurs)^[25] ;

Des additifs ignifugeants sont inclus dans les résines de composants électriques ou électroniques^[26]. Facilité de transformation, tolérances serrées, rigidité et tenue en température constituent des contraintes à respecter, suivant l'application.

• ignifugeants : réduire ou empêcher les phénomènes de combustion (jusqu'à 10 % d'incorporation) (hydroxyde d'aluminium, phosphonates, etc.) ; indispensables chaque fois que la sécurité est en jeu car la plupart des matières plastiques sont particulièrement inflammables ; doivent être stables dans le temps, peu ou pas toxiques^[27] ;
• agents gonflants : obtenir un produit-mousse (composé cellulaire peu dense, la densité peut atteindre 0,005) ; un gaz peut être libéré par la décomposition chimique de l'agent sous l'action de la chaleur (isolation, sièges et volants d'automobile, etc.) ;
• lubrifiants : faciliter la mise en œuvre en augmentant le glissement (jusqu'à 2 % d'incorporation) (cires, stéarate de calcium, etc.) ;
• promoteurs d'adhésion : améliorer l'adhésion sur le verre, les fibres de verre ou sur un métal (silanes, titanates, composés contenant des groupes polaires, etc.) ;
• colorants (pigments solides insolubles dans le polymère, tels le noir de carbone ou les oxydes métalliques ; ou colorants organiques^[28] solubles dans le polymère) : donner une couleur ;
• agents antistatiques : s'opposer aux dépôts de poussières en rendant le plastique conducteur en surface ; en effet, la plupart des polymères sont de faibles conducteurs électriques ;
• fongicides et bactéricides : résister à l'attaque des micro-organismes (asepsie), surtout en milieu humide ;
• solvants : pour peintures (enduction), adhésifs, etc.

Certains constituants sont multifonctions^[29].

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, en fonction de leur comportement à la chaleur : les thermoplastiques (polymères linéaires, ramifiés ou non) et les thermodurcissables [polymères tridimensionnels (réticulés)]^[30] :

• portés à une température suffisante (au-dessus de leur température de transition vitreuse T_v ou de fusion T_f), les polymères thermoplastiques se trouvent à l'état « fondu » (état fluide ou déformable) et sont donc susceptibles de s'écouler sous l'action d'une contrainte. Cela permet leur mise en forme au moyen des techniques habituelles (thermoformage, extrusion, injection, etc.). L'opération peut se répéter plusieurs fois ;
• les polymères thermodurcissables durcissent (réticulent) lors d'un premier chauffage (ou éventuellement à température ambiante). Dans le domaine des peintures, c'est une propriété très souvent mise à profit. Un apport de chaleur peut déclencher une réaction de polymérisation tridimensionnelle qui crée des pontages entre les chaînes de polymères et durcit de manière irréversible le matériau.

Propriétés mécaniques

Les polymères thermodurcissables sont souvent rigides et fragiles tandis que les polymères thermoplastiques et les élastomères montrent une résistance mécanique médiocre très affectée par la température.

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

• semi-cristallins [présence de zones cristallines (cristallites et sphérolites) et existence d'un intervalle de fusion étroit qui permet une transition rapide de l'état solide ou pâteux à l'état fluide, par élévation de température], à morphologie hétérogène (exemples : PE, PPi, PA, polyesters thermoplastiques, POM [(-CH₂-O-)_n], PTFE) ;
• soit amorphes, montrant un ramollissement progressif par élévation de température (PS et ses copolymères, PMMA, PC, PVC^[31], etc.).

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

La structure des polymères est reliée aux propriétés thermomécaniques. Par 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)^[32].

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

On admet en général que les propriétés d'un plastique technique sont optimales lorsque la cristallinité moyenne permet de combiner la résistance mécanique et thermique de la phase cristalline à la résilience de la phase amorphe (pratiquement 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 T_v, à l'état vitreux. En principe, 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.

Lorsque les matériaux plastiques sont observés en service, on se rend compte qu'ils sont soumis à des contraintes qui provoquent des déformations pouvant dans certains cas 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) afin de 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. En général, on utilise les normes ISO, ASTM et DIN, ou des normes « maisons » lorsque 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 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'utilisation).

Un grand nombre d'essais mécaniques utilisés pour caractériser les matières plastiques découle des techniques d'analyse des métaux telles les mesures 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 notamment 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)^[33], 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 affectés 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 permet de mesurer certaines propriétés mécaniques.

Les matériaux se répartissent d'après leur comportement en contrainte-déformation, en trois catégories générales : rigides (souvent 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 :

• la courbe A illustre le caractère en contrainte-déformation d'un polymère rigide (module élevé) dont la rupture se produit quasi simultanément à la limite d'élasticité. Le polymère a un comportement fragile (faible allongement à la rupture) ;
• la courbe B montre que le comportement de certains matériaux plastiques est semblable à celui de nombreux matériaux métalliques : la déformation élastique initiale est suivie d'une déformation plastique. Le matériau est tenace (fort allongement à la rupture) ;
• la courbe C indique une déformation élastique dans un large domaine de déformation ; ce comportement mécanique est typique d'un élastomère.

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.

• la température ;
• la cohésion des polymères ;
• la modification des propriétés mécaniques moléculaires des polymères ;
• leurs conditions de transformation.

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. De plus, 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.

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 (par étuvage) 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 à l'aide de matériels et de matières fournies par les producteurs de polymères ou les compoundeurs.

Presse à injecter bimatière alimentée par des granulés thermoplastiques^[34].

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

• le moulage par compression à chaud est le moulage-type des polymères thermodurcissables. Il faut éviter la prise en masse (l'atteinte du « point de gel ») de la matière avant que l'opération de moulage soit terminée. Les temps de polymérisation des thermodurcissables limitent les cadences de production de type industriel ;
• le calandrage (passage de la matière entre deux cylindres chauffés), l'extrusion (passage à travers une filière) et le moulage par injection sont les techniques de transformation typiques des polymères thermoplastiques. Ces composés autorisent des temps de cycle plus courts.

Film (à base d'un mélange copolyester-PLA) obtenu par extrusion-gonflage.

On distingue :

• Enduction de supports divers (métaux, tissus, etc.) ;
• Extrusion de cordons, plaques, profilés, tubes^[35], calandrage, extrusion-calandrage, extrusion-gonflage et extrusion dite cast (obtention de films), coextrusion (films multicouches), extrusion-gainage (câbles) ;
• Injection^[36], injection assistée eau ou gaz, bimatière ;
• Moulage par soufflage (extrusion-soufflage et injection-soufflage) et rotomoulage : pour créer des corps creux (bouteilles, flacons, jouets, etc.) ;
• Thermoformage, formage sous pression ;
• Moussage (PUR, PS expansé) ;
• Filage à l'état fondu (PP, PET, PA, PE, etc.) ;
• Frittage (du PTFE, vers 370 °C ; du polyéthylène de masse molaire très élevée désigné par UHMWPE en anglais^[37] ; des PI) ;

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

• Moulage par compression, compression-transfert, coulée, injection : techniques applicables aux thermodurcissables ;
• Procédé RIM (Reaction Injection Molding) (s'appliquant aux résines polyuréthanes thermodurcissables ; la réaction (réticulation) a lieu dans le moule) ;
• Pultrusion, moulage au contact, stratification en continu, moulage à la presse, enroulement filamentaire, injection : fabrication de matériaux composites ;
• Usinage à l'outil ;
• Soudure plastique (par lame chaude, friction, haute fréquence, etc.) ;
• Granulation (broyage des pièces pour recyclage) ;
• Agglomération (ou densification) [récupération, par reformage, de déchets de faibles épaisseurs (films ou équivalents)] ;
• Revêtement de supports à partir de poudre plastique : fluidisation, procédé électrostatique, thermolaquage, pistolage au chalumeau (pour cette dernière technique, une certaine décomposition de la matière est inévitable) ;
• Métallisation : électrolytique, sous vide, argenture (dépôt par réduction du nitrate d'argent) ;
• Pré-traitement superficiel oxydant par effluve électrique ozonisante (procédé corona) avant impression.

Typologie

On distingue globalement (hors matériaux composites) :

• thermoplastiques de grande consommation, dits de commodité (hors fibres textiles) ;
• thermoplastiques semi-techniques et techniques (hors fibres textiles) ;
• autres thermoplastiques (fibres textiles) ;
• thermodurcissables moulés ;
• autres thermodurcissables (peintures, vernis, adhésifs, liants pour contreplaqués ou pour abrasifs, revêtements divers, etc.)^[38].

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]^[39].

Familles de matières plastiques

Thermoplastiques

Film thermorétractable (en).

Les matériaux plastiques composés de polymères à chaîne linéaire ou ramifiée sont en principe fusibles. Les polymères thermoplastiques (ou polyplastes, thermoformables) se déforment et sont façonnables sous l'effet de la chaleur, gardant cette forme en refroidissant (analogie 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 par ailleurs solubles dans des solvants spécifiques, ce qui permet leur utilisation comme revêtements et colles.

Pour fixer les idées, la plupart 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 actuellement 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 varier et se trouve géométriquement figée (analogie 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 donc non transformable et non recyclable.

Élastomères

Certains élastomères sont hautement déformables : ils se caractérisent par la faculté de supporter de grandes déformations (jusqu'à environ 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 en général réticulés, et le plus souvent à une température supérieure à leur température de transition vitreuse, sur le plateau caoutchouteux ; utilisation : fabrication de la gomme des pneumatiques [contenant principalement du caoutchouc naturel (NR) et du copolymère élastomère styrène-butadiène (SBR)^[40], 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^[17], dont la structure, les propriétés physico-chimiques et de mise en œuvre (comportement sous l'action de la chaleur et de la pression) diffèrent totalement. Les résines thermoplastiques sont les plus utilisées industriellement.

Les polyimides, le polytétrafluoroéthylène et les silicones peuvent être classés dans les thermostables^[48] 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

Évolution de la production des plastiques entre 1950 et 2012.

La production mondiale de plastiques augmente régulièrement ; en 2011, elle était de 280 Mt^[49]. Avec une production mondiale de ~54 Mt en 2001, le polyéthylène [(-CH₂-)_n] est un polymère de synthèse très consommé^[50]. Les plus répandus sont le polypropylène [(-CH₂-CH(CH₃)-)_n], le polyéthylène, le poly(chlorure de vinyle) [(-CH₂-CH(Cl)-)_n], le polystyrène, le polyuréthane et le poly(téréphtalate d'éthylène) (PET, PETE).

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 de ~18 Mt en 2001.

Consommation

Demande européenne de plastiques par secteur en 2012.

La consommation par habitant était de 92 kg de plastique en Europe occidentale en 2000. La consommation globale de plastique est passée de 5 Mt dans les années 1950 à presque 100 Mt aujourd'hui^[51].

Au sein de celle-ci, le plastique utilisé à des fins éphémères représente plus de 44 % du total ; les activités de packaging (emballage) forment la plus grande partie de cet usage « jetable » des plastiques et, au sein du packaging, le packaging à usage agroalimentaire représente plus de la moitié, en poids, du total^[52].

En 2012, outre le packaging, les secteurs du bâtiment, de l'automobile, de l'électricité-électronique et de l'agriculture sont des forts consommateurs de plastiques.

Applications

Casque de sécurité.

Conteneurs pour vrac (en).

De nombreux secteurs d'activité utilisent les matières plastiques^[53] :

• agriculture ;
• ameublement, articles de bureau ;
• articles ménagers et électroménagers ;
• emballage et manutention ;
• industries : du bois • chimique • électrique et électronique • métallique et métallurgique • papetière • des peintures, vernis et adhésifs (revêtements, mastics, insonorisants, etc.) • textile - vêtements et accessoires (casques…) ;
• jouets, loisirs et sports ;
• maroquinerie, chaussures et articles de voyage ;
• médecine, pharmacie et hygiène ;
• optique ;
• publicité (enseignes, panneaux) ;
• transports (automobile, ferroviaire, marine, aéronautique, aérospatial) ;
• travaux publics, génie civil et bâtiment ;
• etc.

Bioplastiques

Le marché des polymères biosourcés [polymères pour lesquels une partie des matières premières provient de ressources renouvelables (surtout, 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 souvent à base d'amidon (polymère abondant, peu cher et facilement transformable) et de fibres (naturelles) de bois, de lin, de chanvre, de sisal ou de jute.

Les bioplastiques restent cantonnés à des usages limités, principalement dans l'emballage (en remplaçant par exemple le PET, PETE), qui concentre 90 % de l'activité^[54].

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 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 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 encore discutés, quelques impacts sont reconnus.

Phase de production

• Les combustibles fossiles (pétrole en particulier) utilisés pour la fabrication des matières plastiques sont des sources importantes de gaz à effet de serre.
• La mise en œuvre d'une matière plastique utilise souvent des granulés industriels semi-finis. Une quantité importante de ces granulés plastiques se retrouve dans le milieu naturel. Cette matière plastique de synthèse est présente sur les plages de toutes les mers du globe^[55]. Ces petites billes, cylindres ou pastilles de plastique sont appelés poétiquement « larmes de sirène ». L'origine de ces granulés dans l'environnement est connue : les déversements accidentels, le transport ou les utilisations inappropriées sont en cause^[56]. Une évaluation initiale de la présence de ces granulés^[57] a été réalisée en France en 2011 pour le processus européen de la Directive cadre Stratégie pour le milieu marin (DCSMM) et le Bon état écologique^[58].
• De nombreux additifs toxiques (plomb, cadmium en particulier) ont été utilisés pour la fabrication de certaines matières plastiques courantes, telles le PVC. La directive 2000/53/EC de l'Union européenne en interdit désormais l'utilisation (plomb, cadmium, mercure, chrome VI).

Phase d'utilisation

• Des substances chimiques, en particulier présentes dans le plastique, seraient « au premier rang des accusés » de la chute de la qualité des spermatozoïdes (réduite de 50 % depuis 1950) et des maladies liées à l'appareil génital à travers les perturbateurs endocriniens. Le 25 novembre 2008, le gouvernement français (à travers l'IRESP, structure de recherche créée par l'INSERM et vingt partenaires, et l'AFSSA) a organisé un colloque sur le thème : « Environnement chimique, reproduction et développement de l'enfant ». Les principaux composés incriminés sont les phtalates et le bisphénol A (BPA)^[59], deux substances présentes dans certaines matières plastiques.
• Parmi les additifs les plus controversés figure le bisphénol A, très présent dans les plastiques alimentaires et notamment dans 90 % des biberons en 2008. Le BPA est un perturbateur endocrinien. L'Association médicale américaine a publié en octobre 2008 une étude concluant qu'une hausse de la concentration de BPA dans l'urine augmentait de 39 % les risques de diabète et de maladie cardio-vasculaire. Au Canada, tous les biberons contenant du BPA ont été retirés du marché, en application du principe de précaution. En Europe, l'EFSA estime que les doses de BPA absorbées par les bébés sont trop faibles pour être dangereuses. Certains fabricants de biberons (Dodie, Philips AVENT) ont décidé en 2008 de fabriquer des biberons sans BPA mais commercialisés plus chers^[60].
• L'émanation (relargage) de certains plastiques présents dans l'habitat urbain est connue^[61].
• La combustion volontaire ou accidentelle de matières plastiques libère d'importantes quantités de fumées souvent épaisses et toxiques, ainsi dans certains cas que des produits tels les métaux lourds (plomb, cadmium, etc.) qui servaient à les stabiliser et/ou à les colorer. De nombreux fumigènes faits soi-même le sont avec du plastique, par exemple ceux à base de balles de ping-pong^[62]. Selon les pompiers, « dix kilos de plastique qui brûlent, cela fait 25 000 mètres cubes de fumées »^[63].

Au stade déchet

Déchets plastiques ingérés par un albatros, probablement à l'origine de sa mort.

• Les plastiques, à la différence des polymères naturels, sont peu dégradables et mal biodégradés. Parmi les produits finaux de dégradation, certains de leurs additifs sont des perturbateurs endocriniens, et d'autres (métaux lourds, colorants ou stabilisateurs) sont toxiques et 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^[64]. On en a depuis trouvé dans toutes les mers du globe. On ignore quels impacts environnementaux ils peuvent avoir à moyen et long terme, en particulier quand ils se dégradent en petites particules.
• Les plastiques flottants deviennent des déchets marins qui, même dans des zones éloignées (à plus de 2 000 miles marins du continent le plus proche pour les îles Midway), tuent des espèces protégées et menacées. Les sacs plastiques mangés par des tortues qui les confondent avec des méduses ne sont qu'un des exemples. Un autre problème est celui de nombreux albatros qui meurent, le gésier et l'estomac pleins de dizaines de jouets et objets en plastique, qu'ils ont ingéré en mer ou que leurs parents leur ont apportés au nid. Ces objets sont apportés par les parents à leurs poussins comme s'il s'agissait de nourriture (ils étaient couverts d'œufs ou d'organismes marins comestibles) et à la différence des os ou arêtes avalés par les oiseaux, ils ne peuvent être dissous par les sucs digestifs d'aucun animal, ni ressortir de l'estomac des poussins ou adultes qui finissent par en mourir. Les poussins d'albatros sont ainsi nombreux à mourir d'inanition après avoir ingéré parfois plusieurs dizaines d'objets en plastique (bouchons, morceaux de stylos, gadgets et autres jouets pour enfants, débris de récipients, etc.)^[65].
  Selon une étude publiée en 2011 par l'Institut océanographique de San Diego (Californie), on trouvait en 2009 des morceaux de plastique ingérés dans 1 poisson sur 10 dans le Pacifique Nord, et les poissons vivant aux profondeurs moyennes en ingèreraient 24 000 t/an environ^[66].
• Sur la rive nord de la Méditerranée, au large des grandes agglomérations, les déchets solides, constitués à 75 % de plastiques, infectent les fonds marins. La tortue marine, espèce en danger pour l'UICN, s'étouffe avec des sacs plastiques qu'elle prend pour des méduses^[67].
• 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, comme additifs anti-UV et colorants)^{[réf. nécessaire]}.
• En 2012, l'Union européenne plus la Norvège et la Suisse ont produit 25 millions de tonnes de déchets plastiques ; le taux (approximatif) de recyclage des plastiques est égal à 2 % au niveau mondial, à 25 % en Europe et à 20 % en France^[68].
• Le vortex de déchets du Pacifique nord (vortex ou gyre) contient une telle accumulation de plastique qu'il est surnommé le « septième continent ».
• Un autre phénomène, encore émergent, est la diffusion massive depuis les années 1990 de microplastiques et microbilles de plastique dans des centaines de produits cosmétiques, dentifrices, savons et shampoings, que l'on retrouve sous forme de déchets mal retenus par les stations d'épuration, dans les cours d'eau, les lacs et la mer.

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 permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des matériaux qui le composent^[69]. 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 par incinération d'en obtenir une valorisation énergétique (production d'électricité ou de chaleur à usage industriel ou domestique). On peut aussi procéder par :

• traitement mécanique (lavage, tri, broyage, séparation) ;
• traitement thermochimique (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 en 1988 un système de marquage par type de matière plastique, le code d'identification des résines. Un emballage utilisant ce système est marqué d'un triangle fléché à l'intérieur duquel se trouve un numéro indiquant le type de plastique utilisé :

1. PET ou PETE : polytéréphtalate d'éthylène : utilisé habituellement pour les bouteilles d'eau minérale, de sodas et de jus de fruits, les emballages, les blisters, les rembourrages. Dangereux pour l'usage alimentaire^[70] ;
2. HDPE ou PEHD : polyéthylène haute densité : certaines bouteilles, flacons, et plus généralement emballages semi-rigides. Considéré 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 poubelles, sachets, films, récipients souples. Considéré 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). Considéré 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. Dangereux, notamment en cas de combustion (contient du styrène) ;
7. OTHER ou O : tout plastique autre que ceux nommés de 1 à 6. Inclut par exemple les plastiques à base de polycarbonate ; les polycarbonates de bisphénol A sont potentiellement toxiques.

Notes et références

Annexes

Articles connexes

Bibliographie

• Rémi Deterre et Gérard Froyer, Introduction aux matériaux polymères, Paris, Tec & Doc Lavoisier,‎ 1997, 212 p. (ISBN 2-7430-0171-2)
• Michel Fontanille et Yves Gnanou, Chimie et physico-chimie des polymères, Dunod, coll. « Sciences Sup »,‎ 2014, 3^e éd., 576 p. (ISBN 978-2-10-058915-9)
• René Bourgeois, Henri Chauvel et Jacques Kessler, Génie des matériaux, Paris, Casteilla, coll. « Mémotech »,‎ 2011, 2^e éd., 536 p. (ISBN 978-2-7135-3326-6)
• (en) Russell J. Crawford, Plastics Engineering, Butterworth-Heinemann,‎ 1998, 3^e éd., 352 p. (ISBN 0-7506-3764-1)

Liens externes

• Liste des abréviations de nombreux polymères, sur atomer.fr (consulté le 29 décembre 2013).
• (en) Engineering Training Services, Base de données sur les matières plastiques et autres matériaux, sur ets-corp.com (consulté le 29 décembre 2013).
• Gérard Borvon, Histoire du carbone. Quand la chimie des plastiques était verte, sur histoires-de-sciences.over-blog.fr, 16 décembre 2013 (consulté le 29 décembre 2013).
• Stéphane Blais, Bâtir des routes avec des sacs de plastique au Niger, sur muvmedia.com, 21 décembre 2007 (consulté le 29 décembre 2013).

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