Polyéthylène - Polyethylene

Formule schématique d'un monomère ris
Modèle Spacefill en polyéthylène
Échantillon de polyéthylène granulé
Noms
Nom IUPAC
Polyéthylène ou poly(éthylène)
Autres noms
Polyéthylène
Polythène
Identifiants
Abréviations PE
ChemSpider
Carte d'information de l'ECHA 100.121.698 Modifiez ceci sur Wikidata
KEGG
Engrener Polyéthylène
CID PubChem
Propriétés
(C 2 H 4 ) n
Densité 0,88 à 0,96 g / cm 3
Point de fusion 115 à 135 °C (239 à 275 °F ; 388 à 408 K)
log P 1.02620
-9,67×10 -6 ( PEHD , SI, 22 °C)
Sauf indication contraire, les données sont données pour les matériaux dans leur état standard (à 25 °C [77 °F], 100 kPa).
Références de l'infobox
L'unité répétitive au sein du polyéthylène dans la conformation décalée la plus stable

Le polyéthylène ou polyéthylène (abrégé PE ; nom IUPAC polyéthylène ou poly(méthylène) ) est le plastique le plus couramment utilisé aujourd'hui. Il est un polymère, principalement utilisé pour l' emballage ( sacs en plastique , films plastiques , géomembranes et conteneurs , y compris des bouteilles , etc.). Depuis 2017, plus de 100 millions de tonnes de résines de polyéthylène sont produites chaque année, ce qui représente 34 % du marché total des plastiques.

De nombreux types de polyéthylène sont connus, la plupart ayant la formule chimique (C 2 H 4 ) n . Le PE est généralement un mélange de polymères similaires d' éthylène , avec différentes valeurs de n . Il peut être à basse densité ou à haute densité : le polyéthylène basse densité est extrudé à haute pression (1000-5000  atm ) et à haute température (520  kelvins ), tandis que le polyéthylène haute densité est extrudé à basse pression (6-7 atm) et basse température (333-343 K). Le polyéthylène est généralement thermoplastique , mais il peut être modifié pour devenir thermodurcissable à la place, par exemple, en polyéthylène réticulé .

Histoire

Le polyéthylène a été synthétisé pour la première fois par le chimiste allemand Hans von Pechmann , qui l'a préparé par accident en 1898 alors qu'il étudiait le diazométhane . Lorsque ses collègues Eugen Bamberger et Friedrich Tschirner ont caractérisé la substance blanche et cireuse qu'il avait créée, ils ont reconnu qu'elle contenait de longues chaînes -CH 2 - et l'ont appelée polyméthylène .

Un pilulier présenté à un technicien de l'ICI en 1936 fabriqué à partir de la première livre de polyéthylène

La première synthèse de polyéthylène pratique industriellement (le diazométhane est une substance notoirement instable qui est généralement évitée dans les applications industrielles) a de nouveau été accidentellement découverte en 1933 par Eric Fawcett et Reginald Gibson aux usines Imperial Chemical Industries (ICI) à Northwich , en Angleterre. En appliquant une pression extrêmement élevée (plusieurs centaines d' atmosphères ) à un mélange d'éthylène et de benzaldéhyde, ils ont à nouveau produit un matériau blanc et cireux. Parce que la réaction avait été initiée par des traces d' oxygène dans leur appareil, l'expérience était difficile à reproduire au début. Ce n'est qu'en 1935 qu'un autre chimiste de l'ICI, Michael Perrin , a développé cet accident en une synthèse reproductible à haute pression pour le polyéthylène qui est devenue la base de la production industrielle de polyéthylène basse densité ( LDPE ) à partir de 1939. Parce que le polyéthylène s'est avéré avoir très propriétés à faible perte aux ondes radio à très haute fréquence, la distribution commerciale en Grande-Bretagne a été suspendue au début de la Seconde Guerre mondiale, le secret imposé, et le nouveau procédé a été utilisé pour produire l'isolation des câbles coaxiaux UHF et SHF des ensembles radar . Pendant la Seconde Guerre mondiale, des recherches supplémentaires ont été menées sur le procédé ICI et en 1944, Du Pont à Sabine River, Texas, et Bakelite Corporation à Charleston, Virginie-Occidentale, ont commencé la production commerciale à grande échelle sous licence d'ICI.

La percée décisive dans la production commerciale de polyéthylène a commencé avec le développement de catalyseurs qui ont favorisé la polymérisation à des températures et des pressions douces. Le premier d'entre eux était un catalyseur à base de trioxyde de chrome découvert en 1951 par Robert Banks et J. Paul Hogan chez Phillips Petroleum . En 1953, le chimiste allemand Karl Ziegler a développé un système catalytique à base d' halogénures de titane et de composés organoaluminiques qui fonctionnait dans des conditions encore plus douces que le catalyseur Phillips. Le catalyseur Phillips est cependant moins coûteux et plus facile à utiliser, et les deux méthodes sont largement utilisées dans l'industrie. À la fin des années 1950, les catalyseurs de type Phillips et Ziegler étaient utilisés pour la production de polyéthylène haute densité (PEHD). Dans les années 1970, le système Ziegler a été amélioré par l'incorporation de chlorure de magnésium . Des systèmes catalytiques à base de catalyseurs solubles, les métallocènes , ont été rapportés en 1976 par Walter Kaminsky et Hansjörg Sinn . Les familles de catalyseurs à base de Ziegler et de métallocènes se sont avérées très flexibles pour la copolymérisation de l'éthylène avec d'autres oléfines et sont devenues la base de la large gamme de résines de polyéthylène disponibles aujourd'hui, y compris le polyéthylène très basse densité et le polyéthylène basse densité linéaire . De telles résines, sous la forme de fibres UHMWPE , ont (à partir de 2005) commencé à remplacer les aramides dans de nombreuses applications à haute résistance.

Propriétés

Les propriétés du polyéthylène peuvent être divisées en propriétés mécaniques, chimiques, électriques, optiques et thermiques.

Mécanique

Le polyéthylène est de faible résistance, dureté et rigidité, mais a une ductilité et une résistance aux chocs élevées ainsi qu'un faible frottement. Il montre un fluage important sous une force persistante, qui peut être réduite par l'ajout de fibres courtes. Il est cireux au toucher.

Thermique

L'applicabilité commerciale du polyéthylène est limitée par son faible point de fusion par rapport aux autres thermoplastiques. Pour les qualités commerciales courantes de polyéthylène moyenne et haute densité, le point de fusion est généralement compris entre 120 et 130 °C (248 à 266 °F). Le point de fusion du polyéthylène basse densité commercial moyen est généralement de 105 à 115 °C (221 à 239 °F). Ces températures varient fortement avec le type de polyéthylène, mais la limite supérieure théorique de fusion du polyéthylène est de 144 à 146 °C (291 à 295 °F).

Chimique

Le polyéthylène est constitué d'hydrocarbures non polaires, saturés et de poids moléculaire élevé. Par conséquent, son comportement chimique est similaire à celui de la paraffine . Les macromolécules individuelles ne sont pas liées de manière covalente . En raison de leur structure moléculaire symétrique, ils ont tendance à cristalliser ; dans l'ensemble, le polyéthylène est partiellement cristallin . Une cristallinité plus élevée augmente la densité et la stabilité mécanique et chimique.

La méthode standard pour tester la densité plastique est ISO 1183 partie 2 (colonnes à gradient), ou ISO 1183 partie 1 ( analyseur de densité MVS2PRO ).

La plupart des grades LDPE , MDPE et HDPE ont une excellente résistance chimique, ce qui signifie qu'ils ne sont pas attaqués par des acides forts ou des bases fortes et sont résistants aux oxydants et agents réducteurs doux. Les échantillons cristallins ne se dissolvent pas à température ambiante. Le polyéthylène (autre que le polyéthylène réticulé) peut généralement être dissous à des températures élevées dans des hydrocarbures aromatiques tels que le toluène ou le xylène , ou dans des solvants chlorés tels que le trichloroéthane ou le trichlorobenzène .

Le polyéthylène n'absorbe presque pas d' eau . La perméabilité aux gaz et à la vapeur d'eau (uniquement les gaz polaires) est inférieure à celle de la plupart des plastiques ; l'oxygène , le dioxyde de carbone et les arômes , en revanche, peuvent le passer facilement.

Le PE peut devenir cassant lorsqu'il est exposé au soleil, le noir de carbone est généralement utilisé comme stabilisateur UV.

Le polyéthylène brûle lentement avec une flamme bleue à pointe jaune et dégage une odeur de paraffine (semblable à la flamme d'une bougie ). Le matériau continue de brûler lors du retrait de la source de flamme et produit un égouttement.

Le polyéthylène ne peut pas être imprimé ou collé avec des adhésifs sans prétraitement. Les joints à haute résistance sont facilement réalisés avec la soudure plastique .

Électrique

Le polyéthylène est un bon isolant électrique . Il offre une bonne résistance électrique à l'arborescence ; cependant, il se charge facilement d' électricité statique (ce qui peut être réduit par des ajouts de graphite , de noir de carbone ou d' agents antistatiques ).

Optique

En fonction de l'historique thermique et de l'épaisseur du film, le PE peut varier entre presque clair ( transparent ), laiteux-opaque ( translucide ) et opaque . Le LDPE a la plus grande transparence, le LLDPE légèrement moins et le HDPE le moins de transparence. La transparence est réduite par les cristallites si elles sont plus grandes que la longueur d'onde de la lumière visible.

Processus de fabrication

Monomère

squelette d'éthylène
éthylène modèle 3D
Éthylène (éthylène)

L'ingrédient ou le monomère est l' éthylène ( nom IUPAC éthène), un hydrocarbure gazeux de formule C 2 H 4 , qui peut être considéré comme une paire de groupes méthylène (− CH
2
−) connectés entre eux. Les spécifications typiques pour la pureté du PE sont <5 ppm pour l'eau, l'oxygène et d'autres teneurs en alcènes . Les contaminants acceptables comprennent le N 2 , l'éthane (précurseur courant de l'éthylène) et le méthane. L'éthylène est généralement produit à partir de sources pétrochimiques, mais il est également généré par la déshydratation de l'éthanol.

Polymérisation

La polymérisation de l'éthylène en polyéthylène est décrite par l' équation chimique suivante :

n CH
2
=CH
2
(gaz) → [−CH
2
−CH
2
]
m
(solide) Δ H / n  = −25,71 ± 0,59 kcal/mol (−107,6 ± 2,5 kJ/mol) 

L'éthylène est une molécule stable qui ne polymérise qu'au contact des catalyseurs. La conversion est fortement exothermique . La polymérisation de coordination est la technologie la plus répandue, ce qui signifie que des chlorures métalliques ou des oxydes métalliques sont utilisés. Les catalyseurs les plus courants sont constitués de chlorure de titane (III) , les catalyseurs dits de Ziegler-Natta . Un autre catalyseur courant est le catalyseur Phillips , préparé en déposant de l' oxyde de chrome (VI) sur de la silice. Le polyéthylène peut être produit par polymérisation radicalaire , mais cette voie n'a qu'une utilité limitée et nécessite généralement un appareil à haute pression.

Joindre

Les méthodes couramment utilisées pour assembler des pièces en polyéthylène comprennent :

Les adhésifs et les solvants sont rarement utilisés car le polyéthylène est apolaire et a une haute résistance aux solvants. Les adhésifs sensibles à la pression (PSA) sont réalisables si la chimie de surface ou la charge est modifiée par activation plasma , traitement à la flamme ou traitement corona .

Classification

Le polyéthylène est classé selon sa densité et sa ramification . Ses propriétés mécaniques dépendent de manière significative de variables telles que l'étendue et le type de ramification, la structure cristalline et le poids moléculaire . Il existe plusieurs types de polyéthylène :

En ce qui concerne les volumes vendus, les qualités de polyéthylène les plus importantes sont le HDPE, le LLDPE et le LDPE.

Poids moléculaire ultra-élevé (UHMWPE)

Remplacement de la hanche en acier inoxydable et en polyéthylène de poids moléculaire ultra élevé

L'UHMWPE est un polyéthylène dont le poids moléculaire se compte en millions, généralement entre 3,5 et 7,5 millions d' amu . Le poids moléculaire élevé en fait un matériau très résistant , mais entraîne un tassement moins efficace des chaînes dans la structure cristalline, comme en témoignent les densités inférieures à celles du polyéthylène haute densité (par exemple, 0,930-0,935 g/cm 3 ). L'UHMWPE peut être fabriqué par n'importe quelle technologie de catalyseur, bien que les catalyseurs Ziegler soient les plus courants. En raison de sa ténacité exceptionnelle, de sa coupe, de son usure et de son excellente résistance chimique, l'UHMWPE est utilisé dans une large gamme d'applications. Ceux-ci comprennent des pièces de machines de manutention de canettes et de bouteilles , des pièces mobiles sur des machines à tisser, des roulements, des engrenages, des joints artificiels, des protections de bord sur des patinoires, des remplacements de câbles en acier sur des navires et des planches à découper de boucherie. Il est couramment utilisé pour la construction de portions articulaires d' implants utilisés pour les arthroplasties de la hanche et du genou . En tant que fibre , il concurrence l' aramide dans les gilets pare-balles .

Haute densité (PEHD)

Tuyau en PEHD sur place lors de l'installation dans l'arrière-pays de l'Australie occidentale. La couche extérieure blanche est co-extrudée pour fournir une réduction du chauffage thermique, connue sous le nom d'Acu-Therm.

Le PEHD est défini par une densité supérieure ou égale à 0,941 g/cm 3 . Le HDPE a un faible degré de ramification. Les molécules principalement linéaires s'assemblent bien, de sorte que les forces intermoléculaires sont plus fortes que dans les polymères hautement ramifiés. Le HDPE peut être produit par des catalyseurs au chrome /silice, des catalyseurs Ziegler-Natta ou des catalyseurs métallocènes ; en choisissant des catalyseurs et des conditions de réaction, la petite quantité de ramification qui se produit peut être contrôlée. Ces catalyseurs préfèrent la formation de radicaux libres aux extrémités des molécules de polyéthylène en croissance. Ils provoquent l'ajout de nouveaux monomères d'éthylène aux extrémités des molécules plutôt qu'au milieu, provoquant la croissance d'une chaîne linéaire.

Le HDPE a une haute résistance à la traction. Il est utilisé dans des produits et des emballages tels que des cruches à lait, des bouteilles de détergent, des beurriers, des poubelles et des conduites d'eau . Un tiers de tous les jouets sont fabriqués à partir de HDPE. En 2007, la consommation mondiale de PEHD a atteint un volume de plus de 30 millions de tonnes.

réticulé (PEX ou XLPE)

Le PEX est un polyéthylène de moyenne à haute densité contenant des liaisons de réticulation introduites dans la structure polymère, transformant le thermoplastique en un thermodurcissable . Les propriétés à haute température du polymère sont améliorées, son écoulement est réduit et sa résistance chimique est améliorée. Le PEX est utilisé dans certains systèmes de plomberie d'eau potable car les tubes fabriqués à partir de ce matériau peuvent être dilatés pour s'adapter à un mamelon en métal et il reprendra lentement sa forme d'origine, formant une connexion permanente et étanche à l'eau.

Moyenne densité (MDPE)

Le MDPE est défini par une plage de densité de 0,926 à 0,940 g/cm 3 . Le MDPE peut être produit par des catalyseurs au chrome/silice, des catalyseurs Ziegler-Natta ou des catalyseurs métallocènes. Le MDPE a de bonnes propriétés de résistance aux chocs et aux chutes. Il est également moins sensible à l'entaille que le HDPE ; la résistance à la fissuration sous contrainte est meilleure que le HDPE. Le MDPE est généralement utilisé dans les conduites de gaz et les raccords, les sacs, les films rétractables, les films d'emballage, les sacs de transport et les fermetures à vis.

Linéaire basse densité (LLDPE)

Le LLDPE est défini par une plage de densité de 0,915 à 0,925 g/cm 3 . Le LLDPE est un polymère sensiblement linéaire avec un nombre important de ramifications courtes, généralement fabriqué par copolymérisation d'éthylène avec des alpha-oléfines à chaîne courte (par exemple, 1-butène , 1-hexène et 1-octène ). Le LLDPE a une résistance à la traction plus élevée que le LDPE, et il présente une résistance aux chocs et à la perforation plus élevée que le LDPE. Les films de faible épaisseur (calibre) peuvent être soufflés, par rapport au LDPE, avec une meilleure résistance à la fissuration sous contrainte environnementale , mais ils ne sont pas aussi faciles à traiter. Le LLDPE est utilisé dans l'emballage, en particulier dans les films pour sacs et feuilles. Une épaisseur inférieure peut être utilisée par rapport au LDPE. Il est utilisé pour les revêtements de câbles, les jouets, les couvercles, les seaux, les conteneurs et les tuyaux. Alors que d'autres applications sont disponibles, le LLDPE est principalement utilisé dans les applications de film en raison de sa ténacité, de sa flexibilité et de sa transparence relative. Les exemples de produits vont des films agricoles, du film Saran et du film à bulles aux films multicouches et composites. En 2013, le marché mondial du LLDPE a atteint un volume de 40 milliards de dollars US.

Basse densité (LDPE)

Le LDPE est défini par une plage de densité de 0,910 à 0,940 g/cm 3 . Le LDPE a un degré élevé de ramification à chaînes courtes et longues, ce qui signifie que les chaînes ne s'entassent pas également dans la structure cristalline . Il a donc des forces intermoléculaires moins fortes car l' attraction dipolaire instantanée induite par le dipôle est moindre. Il en résulte une résistance à la traction inférieure et une ductilité accrue . Le LDPE est créé par polymérisation radicalaire . Le degré élevé de ramification avec de longues chaînes confère au LDPE fondu des propriétés d'écoulement uniques et souhaitables. Le LDPE est utilisé à la fois pour les conteneurs rigides et les applications de films plastiques tels que les sacs en plastique et les pellicules de film. En 2013, le marché mondial du LDPE avait un volume de près de 33 milliards de dollars US.

Le processus de polymérisation radicalaire utilisé pour fabriquer le LDPE n'inclut pas de catalyseur qui "supervise" les sites radicalaires sur les chaînes de PE en croissance. (En synthèse HDPE, les sites radicalaires sont aux extrémités des chaînes PE, car le catalyseur stabilise leur formation aux extrémités.) Les radicaux secondaires (au milieu d'une chaîne) sont plus stables que les radicaux primaires (en bout de chaîne). chaîne), et les radicaux tertiaires (à un point de ramification) sont encore plus stables. Chaque fois qu'un monomère d'éthylène est ajouté, il crée un radical primaire, mais souvent ceux-ci se réarrangeront pour former des radicaux secondaires ou tertiaires plus stables. L'ajout de monomères d'éthylène aux sites secondaires ou tertiaires crée une ramification.

Très basse densité (VLDPE)

Le VLDPE est défini par une plage de densité de 0,880 à 0,915 g/cm 3 . Le VLDPE est un polymère sensiblement linéaire avec des niveaux élevés de ramifications à chaîne courte, généralement fabriqué par copolymérisation d'éthylène avec des alpha-oléfines à chaîne courte (par exemple, 1-butène, 1-hexène et 1-octène). Le VLDPE est le plus souvent produit à l'aide de catalyseurs métallocènes en raison de la plus grande incorporation de comonomère présentée par ces catalyseurs. Les VLDPE sont utilisés pour les tuyaux et les tubes, les sacs de glace et d'aliments surgelés, les emballages alimentaires et les films étirables ainsi que les modificateurs d'impact lorsqu'ils sont mélangés avec d'autres polymères.

Récemment, de nombreuses activités de recherche se sont concentrées sur la nature et la distribution des ramifications à longue chaîne dans le polyéthylène. Dans le PEHD, un nombre relativement faible de ces branches, peut-être une branche sur 100 ou 1 000 par carbone de squelette, peut affecter de manière significative les propriétés rhéologiques du polymère.

Copolymères

En plus de la copolymérisation avec des alpha-oléfines, l'éthylène peut être copolymérisé avec une large gamme d'autres monomères et compositions ioniques qui créent des radicaux libres ionisés. Des exemples courants incluent l'acétate de vinyle (le produit résultant est un copolymère éthylène-acétate de vinyle , ou EVA, largement utilisé dans les mousses de semelles de chaussures de sport) et une variété d' acrylates . Les applications du copolymère acrylique incluent l'emballage et les articles de sport, et le superplastifiant , utilisé dans la production de ciment.

Types de polyéthylènes

Les propriétés matérielles particulières du "polyéthylène" dépendent de sa structure moléculaire. Le poids moléculaire et la cristallinité sont les facteurs les plus significatifs ; la cristallinité dépend à son tour du poids moléculaire et du degré de ramification. Moins les chaînes polymères sont ramifiées et plus le poids moléculaire est faible, plus la cristallinité du polyéthylène est élevée. La cristallinité varie de 35% (PE-LD/PE-LLD) à 80% (PE-HD). Le polyéthylène a une masse volumique de 1,0 g / cm 3 dans les régions cristallines et 0,86 g / cm 3 dans les régions amorphes. Il existe une relation presque linéaire entre la densité et la cristallinité.

Le degré de ramification des différents types de polyéthylène peut être schématiquement représenté comme suit :

PE-HD Représentation schématique du PE-HD (polyéthylène haute densité)
PE-LLD

Représentation schématique du PE-LLD (polyéthylène linéaire basse densité)

PE-LD Représentation schématique du PE-LD (polyéthylène basse densité)

La figure montre des squelettes en polyéthylène, des ramifications à chaîne courte et des ramifications à chaîne latérale. Les chaînes polymères sont représentées linéairement.

Branches de chaîne

Les propriétés du polyéthylène dépendent fortement du type et du nombre de branches de la chaîne. Les branches de la chaîne dépendent quant à elles du procédé utilisé : soit le procédé haute pression (uniquement PE-LD) soit le procédé basse pression (tous les autres grades de PE). Le polyéthylène basse densité est produit par le procédé à haute pression par polymérisation radicalaire, ce qui permet de former de nombreuses ramifications à chaîne courte ainsi que des ramifications à longue chaîne. Les ramifications à chaîne courte sont formées par des réactions de transfert de chaîne intramoléculaire , ce sont toujours des ramifications à chaîne butyle ou éthyle car la réaction se déroule selon le mécanisme suivant :

Mécanisme d'émergence de chaînes latérales lors de la synthèse de polyéthylène (PE-LD).

Problèmes environnementaux

Un sac recyclable fabriqué à partir de polyéthylène.
Dites non au polyéthylène. Signe. Nako, Himachal Pradesh , Inde.

Le polyéthylène est produit à partir d'éthylène, et bien que l'éthylène puisse être produit à partir de ressources renouvelables , il est principalement obtenu à partir de pétrole ou de gaz naturel .

De plus, l'utilisation généralisée du polyéthylène pose des difficultés pour la gestion des déchets s'il n'est pas recyclé. Le polyéthylène, comme les autres plastiques synthétiques, n'est pas facilement biodégradable et s'accumule donc dans les décharges . Le recyclage est facilité s'il est marqué d'un code de recyclage . Cela peut lire "PE" ou "02" ("plastique numéro 2") pour PE-HD et "04" ("plastique numéro 4") pour PE-LD.

Au Japon, se débarrasser des plastiques d'une manière respectueuse de l'environnement était le problème majeur discuté jusqu'à ce que la catastrophe nucléaire de Fukushima en 2011 devienne un problème plus important. Il a été répertorié comme un marché de 90 milliards de dollars pour les solutions. Depuis 2008, le Japon a rapidement augmenté le recyclage des plastiques, mais a encore une grande quantité d'emballages plastiques qui sont gaspillés.

En 2010, un chercheur japonais, Akinori Ito, a publié le prototype d'une machine qui crée de l'huile à partir de polyéthylène à l'aide d'un petit processus de distillation à la vapeur autonome.

Biodégradabilité

Le polyéthylène, comme les autres plastiques synthétiques, n'est pas facilement biodégradable et s'accumule donc dans les décharges. Cependant, il existe un certain nombre d'espèces de bactéries et d'animaux capables de dégrader le polyéthylène.

En mai 2008, Daniel Burd, un Canadien de 16 ans, a remporté l' Expo-sciences pancanadienne à Ottawa après avoir découvert que Pseudomonas fluorescens , avec l'aide de Sphingomonas , peut dégrader plus de 40 % du poids des sacs en plastique en six semaines. . Il a deviné plus tard qu'il serait parti après six semaines de plus.

La bactérie thermophile Brevibacillus borstelensis (souche 707) a été isolée d'un échantillon de sol et s'est avérée utiliser du polyéthylène basse densité comme seule source de carbone lorsqu'elle est incubée ensemble à 50 °C. La biodégradation augmente avec le temps d'exposition aux rayons ultraviolets .

Acinetobacter sp. 351 peut dégrader les oligomères PE de poids moléculaire inférieur. Lorsque le PE est soumis à une thermo- et photo-oxydation, des produits tels que des alcanes, des alcènes, des cétones, des aldéhydes, des alcools, des acides carboxyliques, des acides céto, des acides dicarboxyliques, des lactones et des esters sont libérés.

En 2014, un chercheur chinois a découvert que les larves de pyrale de la farine indienne pouvaient métaboliser le polyéthylène en observant que les sacs en plastique de sa maison avaient de petits trous. En déduisant que les larves affamées ont dû digérer le plastique d'une manière ou d'une autre, lui et son équipe ont analysé leurs bactéries intestinales et en ont trouvé quelques-unes qui pourraient utiliser le plastique comme seule source de carbone. Non seulement les bactéries des intestins des larves de papillon Plodia interpunctella métabolisent le polyéthylène, mais elles le dégradent considérablement, faisant chuter sa résistance à la traction de 50 %, sa masse de 10 % et le poids moléculaire de ses chaînes polymères de 13 %.

En 2017, des chercheurs ont rapporté que la chenille de Galleria mellonella mange des déchets plastiques tels que le polyéthylène.

Changement climatique

Lorsqu'il est exposé au rayonnement solaire ambiant, le plastique produit deux gaz à effet de serre , le méthane et l' éthylène . Le type de plastique qui libère les gaz au taux le plus élevé est particulièrement préoccupant : le polyéthylène basse densité (ou LDPE ). En raison de ses propriétés de faible densité, il se décompose plus facilement avec le temps, conduisant à des surfaces plus importantes. La production de ces gaz traces à partir de PEBD vierge augmente avec la surface/temps, avec des taux au terme d'une incubation de 212 jours de 5,8 nmol g-1 d-1 de méthane, 14,5 nmol g-1 d-1 d'éthylène, 3,9 nmol g-1 d-1 d'éthane et 9,7 nmol g-1 d-1 de propylène. Lorsqu'il est incubé dans l'air, le LDPE émet des gaz à des taux ~2 fois et ~76 fois plus élevés que l'eau pour le méthane et l'éthylène, respectivement.

Polyéthylène modifié chimiquement

Le polyéthylène peut être modifié soit lors de la polymérisation par des comonomères polaires ou non polaires, soit après polymérisation par des réactions polymères-analogues. Les réactions polymères-analogues courantes sont dans le cas de la réticulation du polyéthylène , de la chloration et de la sulfochloration .

Copolymères d'éthylène non polaires

-oléfines

Dans le procédé à basse pression, des a-oléfines (par exemple 1-butène ou 1-hexène ) peuvent être ajoutées, qui sont incorporées dans la chaîne polymère pendant la polymérisation. Ces copolymères introduisent des chaînes latérales courtes, ainsi la cristallinité et la densité sont réduites. Comme expliqué ci-dessus, les propriétés mécaniques et thermiques s'en trouvent modifiées. En particulier, PE-LLD est produit de cette façon.

Polyéthylène métallocène (PE-MC)

Le polyéthylène métallocène (PE-M) est préparé au moyen de catalyseurs métallocènes , comprenant généralement des copolymères (z. B. éthène/hexène). Le polyéthylène métallocène a une distribution de poids moléculaire relativement étroite , une ténacité exceptionnellement élevée, d'excellentes propriétés optiques et une teneur en comonomère uniforme. En raison de la distribution étroite du poids moléculaire, il se comporte moins pseudoplastique (en particulier sous des taux de cisaillement plus élevés). Le polyéthylène métallocène a une faible proportion de composants de faible poids moléculaire (extractibles) et une basse température de soudage et de scellage. Ainsi, il est particulièrement adapté pour l'industrie alimentaire.

Polyéthylène avec distribution multimodale des poids moléculaires

Le polyéthylène à distribution multimodale des poids moléculaires est constitué de plusieurs fractions de polymères, qui sont mélangées de manière homogène. Ces types de polyéthylène offrent une rigidité, une ténacité, une résistance mécanique, une résistance aux fissures sous contrainte et une résistance accrue à la propagation des fissures extrêmement élevées. Ils sont constitués en proportions égales de fractions moléculaires supérieures et inférieures de polymère. Les unités de poids moléculaire inférieur cristallisent plus facilement et se détendent plus rapidement. Les fractions de poids moléculaire plus élevé forment des molécules de liaison entre les cristallites, augmentant ainsi la ténacité et la résistance aux fissures sous contrainte. Le polyéthylène avec une distribution multimodale des poids moléculaires peut être préparé soit dans des réacteurs à deux étages, par des catalyseurs avec deux centres actifs sur un support ou par mélange dans des extrudeuses.

Copolymères d'oléfines cycliques (COC)

Les copolymères d'oléfines cycliques sont préparés par copolymérisation d'éthène et de cyclooléfines (généralement du norbornène ) produits en utilisant des catalyseurs métallocènes. Les polymères obtenus sont des polymères amorphes et particulièrement transparents et résistants à la chaleur.

Copolymères polaires d'éthylène

Les composés basiques utilisés comme comonomères polaires sont l'alcool vinylique ( Ethénol , un alcool insaturé), l'acide acrylique ( acide propénoïque , un acide insaturé) et les esters contenant l'un des deux composés.

Copolymères d'éthylène avec des alcools insaturés

Le copolymère éthylène/alcool vinylique (EVOH) est (officiellement) un copolymère de PE et d'alcool vinylique (éthénol), qui est préparé par hydrolyse (partielle) du copolymère éthylène-acétate de vinyle (car l'alcool vinylique lui-même n'est pas stable). Cependant, typiquement EVOH a une teneur en comonomère plus élevée que le VAC couramment utilisé.

L'EVOH est utilisé dans les films multicouches pour l'emballage en tant que couche barrière (plastique barrière). Comme l'EVOH est hygroscopique (attirant l'eau), il absorbe l'eau de l'environnement, ce qui lui fait perdre son effet barrière. Par conséquent, il doit être utilisé comme couche centrale entourée d'autres plastiques (comme le LDPE, PP, PA ou PET). L'EVOH est également utilisé comme agent de revêtement contre la corrosion pour les lampadaires, les poteaux de feux de circulation et les murs antibruit.

Copolymères éthylène/acide acrylique (EAA)

Les copolymères d'éthylène et d'acides carboxyliques insaturés (tels que l'acide acrylique) se caractérisent par une bonne adhérence à divers matériaux, par une résistance à la fissuration sous contrainte et une grande flexibilité. Cependant, ils sont plus sensibles à la chaleur et à l'oxydation que les homopolymères d'éthylène. Les copolymères éthylène/acide acrylique sont utilisés comme promoteurs d'adhérence .

Si des sels d'un acide carboxylique insaturé sont présents dans le polymère, des réseaux ioniques thermo-réversibles se forment, ils sont appelés ionomères . Les ionomères sont des thermoplastiques hautement transparents qui se caractérisent par une adhérence élevée aux métaux, une résistance élevée à l'abrasion et une absorption d'eau élevée.

Copolymères d'éthylène avec esters insaturés

Si des esters insaturés sont copolymérisés avec de l'éthylène, soit la fraction alcool peut être dans le squelette polymère (comme c'est le cas dans le copolymère éthylène-acétate de vinyle) soit dans la fraction acide (par exemple dans le copolymère éthylène-acrylate d'éthyle). Les copolymères éthylène-acétate de vinyle sont préparés de manière similaire au LD-PE par polymérisation à haute pression. La proportion de comonomère a une influence décisive sur le comportement du polymère.

La densité diminue jusqu'à une part de comonomère de 10 % en raison de la formation cristalline perturbée. Avec des proportions plus élevées, il se rapproche de celui de l'acétate de polyvinyle (1,17 g/cm 3 ). En raison de la diminution de la cristallinité, les copolymères d'éthylène et d'acétate de vinyle s'assouplissent avec l'augmentation de la teneur en comonomère. Les groupes latéraux polaires modifient considérablement les propriétés chimiques (par rapport au polyéthylène) : la résistance aux intempéries, l'adhésivité et la soudabilité augmentent avec la teneur en comonomère, tandis que la résistance chimique diminue. Les propriétés mécaniques sont également modifiées : résistance à la fissuration sous contrainte et ténacité à la montée à froid, tandis que la limite d'élasticité et la résistance à la chaleur diminuent. Avec une très forte proportion de comonomères (environ 50%) des thermoplastiques caoutchouteux sont produits ( élastomères thermoplastiques ).

Les copolymères éthylène-acrylate d'éthyle se comportent de manière similaire aux copolymères éthylène-acétate de vinyle.

La réticulation

Une distinction fondamentale est faite entre la réticulation au peroxyde (PE-Xa), la réticulation au silane (PE-Xb), la réticulation par faisceau d'électrons (PE-Xc) et la réticulation azoïque (PE-Xd).

Sont montrés le peroxyde, le silane et la réticulation par irradiation

Sont représentés le peroxyde, le silane et la réticulation par irradiation. Dans chaque méthode, un radical est généré dans la chaîne polyéthylène (en haut au centre), soit par rayonnement (h·ν) soit par des peroxydes (ROOR). Ensuite, deux chaînes radicalaires peuvent réticuler soit directement (en bas à gauche) soit indirectement par des composés silanes (en bas à droite).

  • La réticulation au peroxyde (PE-Xa) : La réticulation du polyéthylène à l'aide de peroxydes (par exemple le peroxyde de dicumyle ou de di-tert-butyle ) est toujours d'une importance majeure. Dans le procédé dit Engel , un mélange de HDPE et de peroxyde à 2 % est d'abord mélangé à basse température dans une extrudeuse puis réticulé à haute température (entre 200 et 250 °C). Le peroxyde se décompose en radicaux peroxyde (RO•), qui soustrait (éliminent) les atomes d'hydrogène de la chaîne polymère, conduisant à des radicaux . Lorsque ceux-ci se combinent, un réseau réticulé est formé. Le réseau polymère résultant est uniforme, de faible tension et de grande flexibilité, grâce à quoi il est plus doux et plus résistant que (le PE-Xc irradié).
  • Reticulation au silane (PE-Xb) : En présence de silanes (par exemple le triméthoxyvinylsilane ), le polyéthylène peut initialement être fonctionnalisé en Si par irradiation ou par une petite quantité d'un peroxyde. Plus tard, des groupes Si-OH peuvent être formés dans un bain d'eau par hydrolyse , qui se condensent ensuite et réticulent le PE par la formation de ponts Si-O-Si. [16] Les catalyseurs tels que le dilaurate de dibutylétain peuvent accélérer la réaction.
  • La réticulation par irradiation (PE-Xc) : La réticulation du polyéthylène est également possible par une source de rayonnement en aval (généralement un accélérateur d'électrons , parfois un radiateur isotopique ). Les produits PE sont réticulés en dessous du point de fusion cristalline par séparation des atomes d' hydrogène . Le rayonnement possède une profondeur de pénétration de 10 mm , le rayonnement de 100 mm. Ainsi, les zones intérieures ou spécifiques peuvent être exclues de la réticulation. Cependant, en raison des coûts d'investissement et d'exploitation élevés, la réticulation par rayonnement ne joue qu'un rôle mineur par rapport à la réticulation au peroxyde. Contrairement à la réticulation au peroxyde, le procédé est réalisé à l' état solide . Ainsi, la réticulation a lieu principalement dans les régions amorphes, tandis que la cristallinité reste largement intacte.
  • Réticulation azoïque (PE-Xd) : Dans le procédé dit Lubonyl, le polyéthylène est réticulé avec des composés azoïques pré-ajoutés après extrusion dans un bain de sel chaud.

Chloration et sulfochloration

Le polyéthylène chloré (PE-C) est un matériau peu coûteux ayant une teneur en chlore de 34 à 44%. Il est utilisé dans des mélanges avec du PVC car le chloropolyéthylène souple et caoutchouteux est incorporé dans la matrice de PVC, augmentant ainsi la résistance aux chocs . Il augmente également la résistance aux intempéries. De plus, il est utilisé pour ramollir les films PVC, sans risquer la migration de plastifiants. Le polyéthylène chloré peut être réticulé par peroxyde pour former un élastomère qui est utilisé dans l'industrie du câble et du caoutchouc. Lorsque le polyéthylène chloré est ajouté à d'autres polyoléfines, il réduit l'inflammabilité.

Le PE chlorosulfoné (CSM) est utilisé comme matériau de départ pour le caoutchouc synthétique résistant à l'ozone .

Polyéthylène biosourcé

Braskem et Toyota Tsusho Corporation ont lancé des activités de commercialisation conjointes pour produire du polyéthylène à partir de la canne à sucre . Braskem construira une nouvelle installation dans son unité industrielle existante à Triunfo, Rio Grande do Sul, au Brésil, avec une capacité de production annuelle de 200 000 tonnes courtes (180 000 000 kg), et produira du polyéthylène haute densité et basse densité à partir de bioéthanol dérivé de la canne à sucre. .

Le polyéthylène peut également être fabriqué à partir d'autres matières premières, notamment le grain de blé et la betterave sucrière . Ces développements utilisent des ressources renouvelables plutôt que des combustibles fossiles, même si la question de la source de plastique est actuellement négligeable dans le sillage des déchets plastiques et en particulier des déchets de polyéthylène comme indiqué ci-dessus.

Nomenclature et description générale du procédé

Le nom polyéthylène vient de l'ingrédient et non du composé chimique résultant, qui ne contient pas de doubles liaisons. Le nom scientifique polyéthylène est systématiquement dérivé du nom scientifique du monomère. Le monomère alcène se transforme en un alcane long, parfois très long, au cours du processus de polymérisation. Dans certaines circonstances, il est utile d'utiliser une nomenclature structurée ; dans de tels cas, l' IUPAC recommande le poly(méthylène) (le poly(méthanediyle) est une alternative non préférée). La différence de noms entre les deux systèmes est due à l' ouverture de la double liaison du monomère lors de la polymérisation. Le nom est abrégé en PE . De manière similaire, le polypropylène et le polystyrène sont abrégés respectivement en PP et PS. Au Royaume-Uni et en Inde, le polymère est communément appelé polyéthylène , du nom commercial ICI , bien que cela ne soit pas reconnu scientifiquement.

Notes de bas de page

Les références

Bibliographie

Liens externes