Polystyrène - Polystyrene

polystyrène
Unité de répétition de la chaîne polymère PS
Chaîne-polystyrène-de-xtal-3D-bs-17.png
Chaîne-polystyrène-de-xtal-3D-sf.png
Noms
Nom IUPAC
Poly(1-phényléthène)
Autres noms
Thermocol
Identifiants
Abréviations PS
ChemSpider
Carte d'information de l'ECHA 100.105.519 Modifiez ceci sur Wikidata
Propriétés
(C 8 H 8 ) n
Densité 0,96 à 1,05 g / cm 3
Point de fusion ~ 240 °C (464 °F; 513 K) Pour le polystyrène isotactique
Point d'ébullition 430 °C (806 °F; 703 K) et se dépolymérise
Insoluble
Solubilité Soluble dans benzène, sulfure de carbone, hydrocarbures aliphatiques chlorés, chloroforme, cyclohexanone, dioxane, acétate d'éthyle, éthylbenzène, MEK, NMP, THF
Conductivité thermique 0,033 W/(m·K) (mousse, ρ 0,05 g/cm 3 )
1.6 ; constante diélectrique 2,6 (1 kHz – 1 GHz)
Composés apparentés
Composés apparentés
Styrène (monomère)
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
Emballage en polystyrène expansé
Un pot de yaourt en polystyrène
Fond d'une tasse formée sous vide ; les détails fins tels que le symbole des matériaux en contact avec les aliments pour le verre et la fourchette et le symbole du code d'identification de la résine sont facilement moulés

Polystyrène ( PS ) / ˌ p ɒ l i s t r i n / est un synthétique aromatique hydrocarboné polymère fabriqué à partir du monomère connu comme le styrène . Le polystyrène peut être solide ou en mousse. Le polystyrène à usage général est clair, dur et cassant. C'est une résine peu coûteuse par unité de poids. C'est une mauvaise barrière à l'oxygène et à la vapeur d'eau et a un point de fusion relativement bas. Le polystyrène est l'un des plastiques les plus utilisés , l'échelle de sa production étant de plusieurs millions de tonnes par an. Le polystyrène peut être naturellement transparent , mais peut être coloré avec des colorants. Les utilisations comprennent les emballages protecteurs (tels que l' emballage des cacahuètes et dans les boîtiers à bijoux utilisés pour le stockage des disques optiques tels que les CD et parfois les DVD ), les conteneurs, les couvercles, les bouteilles, les plateaux, les gobelets, les couverts jetables , dans la fabrication de modèles, et comme un matériau alternatif pour les disques phonographiques .

En tant que polymère thermoplastique , le polystyrène est à l'état solide (vitreux) à température ambiante mais s'écoule s'il est chauffé au-dessus d'environ 100 °C, sa température de transition vitreuse . Il redevient rigide une fois refroidi. Ce comportement à la température est exploité pour l' extrusion (comme dans le polystyrène ) et également pour le moulage et le formage sous vide , car il peut être coulé dans des moules avec des détails fins.

Selon les normes ASTM , le polystyrène est considéré comme non biodégradable . Il s'accumule sous forme de détritus dans l' environnement extérieur , en particulier le long des rivages et des cours d'eau, en particulier sous sa forme d'écume, et dans l'océan Pacifique.

Histoire

Le polystyrène a été découvert en 1839 par Eduard Simon , un apothicaire de Berlin. A partir du storax , la résine de l'arbre à sucre d'Orient Liquidambar orientalis , il a distillé une substance huileuse, un monomère qu'il a nommé styrol. Plusieurs jours plus tard, Simon a découvert que le styrol s'était épaissi en une gelée qu'il a surnommée oxyde de styrol ("Styroloxyd") parce qu'il présumait une oxydation. En 1845, le chimiste d'origine jamaïcaine John Buddle Blyth et le chimiste allemand August Wilhelm von Hofmann ont montré que la même transformation du styrol avait lieu en l'absence d'oxygène. Ils ont appelé le produit "méta styrol"; l'analyse a montré qu'il était chimiquement identique au Styroloxyd de Simon. En 1866, Marcellin Berthelot a correctement identifié la formation de métastyrol/styroloxyd à partir du styrol comme un processus de polymérisation . Environ 80 ans plus tard, on s'est rendu compte que le chauffage du styrol déclenche une réaction en chaîne qui produit des macromolécules , à la suite de la thèse du chimiste organique allemand Hermann Staudinger (1881-1965). Cela a finalement conduit la substance à recevoir son nom actuel, le polystyrène.

La société IG Farben a commencé à fabriquer du polystyrène à Ludwigshafen vers 1931, espérant qu'il remplacerait convenablement le zinc moulé sous pression dans de nombreuses applications. Le succès a été obtenu lorsqu'ils ont développé une cuve de réacteur qui extrudait du polystyrène à travers un tube chauffé et un coupeur, produisant du polystyrène sous forme de pastilles.

Otis Ray McIntire (1918-1996), un ingénieur chimiste de Dow Chemical a redécouvert un procédé d'abord breveté par l'inventeur suédois Carl Munters. Selon le Science History Institute, "Dow a acheté les droits de la méthode de Munters et a commencé à produire un matériau léger, résistant à l'eau et flottant qui semblait parfaitement adapté à la construction de quais et d'embarcations et à l'isolation des maisons, des bureaux et des poulaillers". En 1944, la mousse de polystyrène a été brevetée.

Avant 1949, l'ingénieur chimiste Fritz Stastny (1908-1985) a développé des billes de PS pré-expansées en incorporant des hydrocarbures aliphatiques, tels que le pentane. Ces billes sont la matière première pour le moulage de pièces ou l'extrusion de tôles. BASF et Stastny ont déposé un brevet qui a été délivré en 1949. Le processus de moulage a été présenté au Kunststoff Messe 1952 à Düsseldorf. Les produits ont été nommés Styropor.

La structure cristalline du polystyrène isotactique a été rapportée par Giulio Natta .

En 1954, la société Koppers à Pittsburgh , Pennsylvanie, a développé une mousse de polystyrène expansé (EPS) sous le nom commercial Dylite. En 1960, Dart Container , le plus grand fabricant de gobelets en mousse, a expédié sa première commande.

Structure

Le polystyrène est inflammable et dégage de grandes quantités de fumée noire en brûlant.

En termes chimiques , le polystyrène est un hydrocarbure à longue chaîne dans lequel des centres de carbone alternés sont attachés à des groupes phényle (un dérivé du benzène ). La formule chimique du polystyrène est (C
8
H
8
)
m
; il contient les éléments chimiques carbone et hydrogène .

Les propriétés du matériau sont déterminées par les attractions de van der Waals à courte portée entre les chaînes de polymères. Étant donné que les molécules sont constituées de milliers d'atomes, la force d'attraction cumulée entre les molécules est grande. Lorsqu'elles sont chauffées (ou déformées à un rythme rapide, en raison d'une combinaison de propriétés viscoélastiques et d'isolation thermique), les chaînes peuvent avoir un degré de confirmation plus élevé et glisser les unes sur les autres. Cette faiblesse intermoléculaire (par rapport à la force intramoléculaire élevée due au squelette hydrocarboné) confère souplesse et élasticité. La capacité du système à se déformer facilement au-dessus de sa température de transition vitreuse permet au polystyrène (et aux polymères thermoplastiques en général) d'être facilement ramollis et moulés lors du chauffage. Le polystyrène extrudé est à peu près aussi résistant qu'un aluminium non allié mais beaucoup plus souple et beaucoup moins dense (1,05 g/cm 3 pour le polystyrène contre 2,70 g/cm 3 pour l'aluminium).

Production

Le polystyrène est un polymère d'addition qui résulte de l' interconnexion des monomères de styrène ( polymérisation ). Lors de la polymérisation, la liaison carbone-carbone du groupe vinyle est rompue et une nouvelle liaison carbone-carbone se forme, se fixant au carbone d'un autre monomère de styrène de la chaîne. Étant donné qu'un seul type de monomère est utilisé dans sa préparation, il s'agit d'un homopolymère. La liaison nouvellement formée est plus forte que la liaison qui a été rompue, il est donc difficile de dépolymériser le polystyrène. Environ quelques milliers de monomères comprennent généralement une chaîne de polystyrène, donnant un poids moléculaire de 100 000 à 400 000 g/mol.

Formation de polystyrène.PNG

Chaque carbone du squelette a une géométrie tétraédrique et les carbones auxquels est attaché un groupe phényle (cycle benzénique) sont stéréogènes . Si le squelette devait être posé sous la forme d'une chaîne allongée plate en zigzag, chaque groupe phényle serait incliné vers l'avant ou vers l'arrière par rapport au plan de la chaîne.

La relation stéréochimique relative des groupes phényle consécutifs détermine la tacticité , qui affecte diverses propriétés physiques du matériau.

Tacticité

Dans le polystyrène, la tacticité décrit la mesure dans laquelle le groupe phényle est uniformément aligné (disposé sur un côté) dans la chaîne polymère. La tacticité a un effet important sur les propriétés du plastique. Le polystyrène standard est atactique. Le diastéréoisomère où tous les groupes phényle sont du même côté est appelé polystyrène isotactique , qui n'est pas produit commercialement.

Tactique du polystyrène en.svg

Polystyrène atactique

La seule forme commercialement importante de polystyrène est l' atactique , dans laquelle les groupes phényle sont répartis de manière aléatoire des deux côtés de la chaîne polymère. Ce positionnement aléatoire empêche les chaînes de s'aligner avec une régularité suffisante pour atteindre une cristallinité . Le plastique a une température de transition vitreuse T g d'environ 90 °C. La polymérisation est initiée avec des radicaux libres .

Polystyrène syndiotactique

La polymérisation de Ziegler-Natta peut produire un polystyrène syndiotactique ordonné avec les groupes phényle positionnés sur des côtés alternés du squelette hydrocarboné. Cette forme est très cristalline avec un T m (point de fusion) de 270 °C (518 °F). La résine polystyrène syndiotactique est actuellement produite sous le nom commercial XAREC par la société Idemitsu, qui utilise un catalyseur métallocène pour la réaction de polymérisation.

Dégradation

Le polystyrène est relativement inerte chimiquement. Bien qu'il soit imperméable et résistant à la dégradation par de nombreux acides et bases, il est facilement attaqué par de nombreux solvants organiques (par exemple, il se dissout rapidement lorsqu'il est exposé à l' acétone ), des solvants chlorés et des solvants hydrocarbonés aromatiques. En raison de sa résilience et de son inertie, il est utilisé pour fabriquer de nombreux objets de commerce. Comme d'autres composés organiques, le polystyrène brûle pour donner du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau , en plus d'autres sous-produits de dégradation thermique. Le polystyrène, étant un hydrocarbure aromatique , brûle typiquement de manière incomplète comme indiqué par la flamme de suie.

Le processus de dépolymérisation du polystyrène en son monomère , le styrène , est appelé pyrolyse . Cela implique d'utiliser une chaleur et une pression élevées pour briser les liaisons chimiques entre chaque composé de styrène. La pyrolyse va généralement jusqu'à 430 °C. Le coût énergétique élevé de cette opération a rendu difficile le recyclage commercial du polystyrène en monomère de styrène.

Organismes

Le polystyrène est généralement considéré comme non biodégradable. Cependant, certains organismes sont capables de le dégrader, quoique très lentement.

En 2015, des chercheurs ont découvert que les vers de farine , la forme larvaire du ténébrion Tenebrio molitor , pouvaient digérer et subsister sainement avec un régime d'EPS. Environ 100 vers de farine pourraient consommer entre 34 et 39 milligrammes de cette mousse blanche par jour. Les excréments de ténébrion se sont avérés sans danger pour être utilisés comme sol pour les cultures.

En 2016, il a également été signalé que les supervers ( Zophobas morio ) peuvent manger du polystyrène expansé (EPS). Un groupe de lycéens de l' Université Ateneo de Manila a découvert que, par rapport aux larves de Tenebrio molitor, les larves de Zophobas morio peuvent consommer de plus grandes quantités d'EPS sur de plus longues périodes.

La bactérie Pseudomonas putida est capable de convertir l' huile de styrène en plastique biodégradable PHA . Cela pourrait un jour être utile pour l'élimination efficace de la mousse de polystyrène. Il est intéressant de noter que le polystyrène doit subir une pyrolyse pour se transformer en huile de styrène.

Formulaires produits

Propriétés
Densité de l'EPS 16–640 kg/ m3
Module de Young ( E ) 3000-3600 MPa
Résistance à la traction ( s t ) 46–60 MPa
Allongement à la rupture 3-4%
Essai de choc Charpy 2–5 kJ /m 2
Température de transition vitreuse 100 °C
Point de ramollissement Vicat 90 °C
Coefficient de dilatation thermique 8×10 -5 / K
Capacité calorifique spécifique ( c ) 1,3 kJ/(kg·K)
Absorption d'eau (ASTM) 0,03–0,1
Décomposition X ans, toujours en décomposition

Le polystyrène est généralement moulé par injection , formé sous vide ou extrudé, tandis que le polystyrène expansé est soit extrudé, soit moulé selon un procédé spécial. Des copolymères de polystyrène sont également produits ; ceux-ci contiennent un ou plusieurs autres monomères en plus du styrène. Ces dernières années, les composites de polystyrène expansé avec de la cellulose et de l'amidon ont également été produits. Le polystyrène est utilisé dans certains explosifs à liant polymère (PBX).

Feuille ou polystyrène moulé

Boîtier de CD en polystyrène à usage général (GPPS) et en polystyrène résistant aux chocs (HIPS)
Rasoir jetable en polystyrène

Le polystyrène (PS) est utilisé pour produire des couverts et de la vaisselle en plastique jetables, des étuis à CD "à bijoux" , des boîtiers de détecteur de fumée , des cadres de plaque d'immatriculation , des kits d'assemblage de modèles en plastique et de nombreux autres objets pour lesquels un plastique rigide et économique est souhaité. Les méthodes de production comprennent le thermoformage ( formage sous vide ) et le moulage par injection .

Les boîtes de Pétri en polystyrène et autres récipients de laboratoire tels que les tubes à essai et les microplaques jouent un rôle important dans la recherche et la science biomédicales. Pour ces utilisations, les articles sont presque toujours fabriqués par moulage par injection, et souvent post-moulage stérilisés, soit par irradiation, soit par traitement à l'oxyde d'éthylène . La modification de surface post-moule, généralement avec des plasmas riches en oxygène , est souvent effectuée pour introduire des groupes polaires. Une grande partie de la recherche biomédicale moderne repose sur l'utilisation de tels produits ; ils jouent donc un rôle essentiel dans la recherche pharmaceutique.

De fines feuilles de polystyrène sont utilisées dans les condensateurs à film de polystyrène car elles forment un diélectrique très stable , mais sont largement tombées en désuétude au profit du polyester .

Mousses

Gros plan de l'emballage en polystyrène expansé

Les mousses de polystyrène contiennent 95-98% d'air. Les mousses de polystyrène sont de bons isolants thermiques et sont donc souvent utilisées comme matériaux d'isolation des bâtiments, comme dans les coffrages isolants pour béton et les systèmes de construction de panneaux isolants structuraux. La mousse de polystyrène grise, incorporant du graphite a des propriétés d'isolation supérieures.

Carl Munters et John Gudbrand Tandberg de Suède ont reçu un brevet américain pour la mousse de polystyrène en tant que produit isolant en 1935 (brevet américain numéro 2 023 204).

Les mousses PS présentent également de bonnes propriétés d'amortissement, c'est pourquoi elles sont largement utilisées dans les emballages. La marque Styrofoam de Dow Chemical Company est utilisée de manière informelle (principalement aux États-Unis et au Canada) pour tous les produits en mousse de polystyrène, bien qu'elle ne doive être strictement utilisée que pour les mousses de polystyrène « extrudées à cellules fermées » fabriquées par Dow Chemicals.

Les mousses sont également utilisées pour les structures architecturales non porteuses (comme les piliers ornementaux ).

Polystyrène expansé (EPS)

Dalles Thermocol constituées de billes de polystyrène expansé (EPS). Celui de gauche provient d'une boîte d'emballage. Celui de droite est utilisé pour l'artisanat. Il a une texture liégeuse et papyracée et est utilisé pour la décoration de scène, les modèles d'exposition et parfois comme une alternative bon marché aux tiges de shola ( Aeschynomene aspera ) pour les œuvres d'art.
Coupe d'un bloc de thermocol au microscope optique ( champ clair , objectif = 10×, oculaire = 15×). Les plus grosses sphères sont des billes de polystyrène expansé qui ont été compressées et fusionnées. Le trou brillant en forme d'étoile au centre de l'image est un espace d'air entre les billes où les bords des billes n'ont pas complètement fusionné. Chaque perle est constituée de fines bulles de polystyrène remplies d'air.

Le polystyrène expansé (EPS) est une mousse rigide et résistante à cellules fermées avec une plage de densité normale de 11 à 32 kg/m 3 . Il est généralement blanc et fait de billes de polystyrène pré-expansé. Le processus de fabrication du PSE commence classiquement par la création de petites billes de polystyrène. Les monomères de styrène (et potentiellement d'autres additifs) sont en suspension dans l'eau, où ils subissent une polymérisation par addition radicalaire. Les billes de polystyrène formées par ce mécanisme peuvent avoir un diamètre moyen de l'ordre de 200 µm. Les billes sont ensuite imprégnées d'un "agent gonflant", un matériau qui permet l'expansion des billes. Le pentane est couramment utilisé comme agent gonflant. Les billes sont ajoutées à un réacteur agité en continu avec l'agent gonflant, entre autres additifs, et l'agent gonflant s'infiltre dans les pores à l'intérieur de chaque bille. Les billes sont ensuite expansées à la vapeur.

Le PSE est utilisé pour les contenants alimentaires , les feuilles moulées pour l' isolation des bâtiments et les matériaux d'emballage, soit sous forme de blocs solides formés pour accueillir l'article à protéger, soit sous forme de "cacahuètes" en vrac rembourrant les articles fragiles à l'intérieur de boîtes. L'EPS a également été largement utilisé dans les applications de sécurité automobile et routière telles que les casques de moto et les barrières routières sur les pistes de course automobile .

Une partie importante de tous les produits EPS sont fabriqués par moulage par injection. Les outils de moulage ont tendance à être fabriqués à partir d'aciers (qui peuvent être trempés et plaqués) et d'alliages d'aluminium. Les moules sont contrôlés par une fente via un système de canaux de portes et de canaux. Le PSE est familièrement appelé « styromousse » aux États-Unis et au Canada, une généralisation incorrectement appliquée de la marque de polystyrène extrudé de Dow Chemical .

EPS dans la construction de bâtiments

Les feuilles de PSE sont généralement emballées sous forme de panneaux rigides (commun en Europe est une taille de 100 cm x 50 cm, généralement en fonction du type de connexion et des techniques de colle, il est, en fait, 99,5 cm x 49,5 cm ou 98 cm x 48 cm ; moins courant est 120 x 60 cm ; taille 4 x 8 pi (1,2 x 2,4 m) ou 2 x 8 pi (0,61 x 2,44 m) aux États-Unis). Les épaisseurs courantes sont de 10 mm à 500 mm. De nombreuses personnalisations, additifs et fines couches externes supplémentaires sur un ou les deux côtés sont souvent ajoutés pour aider avec diverses propriétés.

La conductivité thermique est mesurée conformément à la norme EN 12667. Les valeurs typiques vont de 0,032 à 0,038 W/(m⋅K) en fonction de la densité du panneau EPS. La valeur de 0,038 W/(m⋅K) a été obtenue à 15 kg/m 3 tandis que la valeur de 0,032 W/(m⋅K) a été obtenue à 40 kg/m 3 selon la fiche technique du K-710 de StyroChem Finlande . L'ajout de charges (graphites, aluminium ou carbones) a récemment permis à la conductivité thermique du PSE d'atteindre environ 0,030 à 0,034 W/(m⋅K) (aussi bas que 0,029 W/(m⋅K)) et, en tant que tel, a un gris /couleur noire qui le distingue de l'EPS standard. Plusieurs producteurs de PSE ont produit une variété de ces utilisations de PSE à résistance thermique accrue pour ce produit au Royaume-Uni et dans l'UE.

La vapeur d' eau Résistance à la diffusion ( de μ ) d'EPS est d' environ 30-70.

ICC-ES ( International Code Council Evaluation Service) exige que les panneaux EPS utilisés dans la construction de bâtiments répondent aux exigences de la norme ASTM C578. L'une de ces exigences est que l' indice d'oxygène limite du PSE tel que mesuré par la norme ASTM D2863 soit supérieur à 24 % en volume. L'EPS typique a un indice d'oxygène d'environ 18 % en volume ; ainsi, un retardateur de flamme est ajouté au styrène ou au polystyrène lors de la formation du PSE.

Les panneaux contenant un retardateur de flamme lorsqu'ils sont testés dans un tunnel à l'aide de la méthode d'essai UL 723 ou ASTM E84 auront un indice de propagation de la flamme inférieur à 25 et un indice de dégagement de fumée inférieur à 450. ICC-ES nécessite l'utilisation d'un barrière thermique minute lorsque les panneaux EPS sont utilisés à l'intérieur d'un bâtiment.

Selon l'organisation EPS-IA ICF, la densité typique du PSE utilisé pour les coffrages isolants ( béton de polystyrène expansé ) est de 1,35 à 1,80 livres par pied cube (21,6 à 28,8 kg/m 3 ). Il s'agit de PSE de type II ou de type IX selon la norme ASTM C578. Les blocs ou les panneaux EPS utilisés dans la construction de bâtiments sont généralement coupés à l'aide de fils chauds.

Polystyrène extrudé (XPS)

La mousse de polystyrène extrudé (XPS) est constituée de cellules fermées. Il offre une rugosité de surface améliorée, une rigidité plus élevée et une conductivité thermique réduite. La plage de densité est d'environ 28 à 45 kg/m 3 .

Le polystyrène extrudé est également utilisé dans l' artisanat et le modélisme , en particulier les modèles architecturaux . En raison du processus de fabrication par extrusion, XPS n'a pas besoin de parements pour maintenir ses propriétés thermiques ou physiques. Ainsi, il constitue un substitut plus uniforme du carton ondulé . La conductivité thermique varie entre 0,029 et 0,039 W/(m·K) selon la force portante/densité et la valeur moyenne est d'environ 0,035 W/(m·K).

La résistance à la diffusion de vapeur d'eau (μ) du XPS est d'environ 80-250.

Les matériaux couramment utilisés en mousse de polystyrène extrudé comprennent :

  • Styrofoam , également connu sous le nom de Blue Board, produit par Dow Chemical Company
  • Depron, une mince feuille isolante également utilisée pour la construction de modèles

Absorption d'eau des mousses de polystyrène

Bien qu'il s'agisse d'une mousse à cellules fermées, le polystyrène expansé et extrudé n'est pas entièrement étanche ou résistant à la vapeur. Dans le polystyrène expansé, il existe des espaces interstitiels entre les pastilles expansées à cellules fermées qui forment un réseau ouvert de canaux entre les pastilles liées, et ce réseau d'espaces peut se remplir d'eau liquide. Si l'eau gèle en glace, elle se dilate et peut provoquer la rupture des pastilles de polystyrène de la mousse. Le polystyrène extrudé est également perméable aux molécules d'eau et ne peut être considéré comme un pare-vapeur.

L'engorgement se produit généralement sur une longue période dans les mousses de polystyrène qui sont constamment exposées à une humidité élevée ou sont continuellement immergées dans l'eau, comme dans les couvertures de spa, dans les quais flottants, comme flottaison supplémentaire sous les sièges de bateau et pour l'extérieur sous le niveau du sol Isolation du bâtiment constamment exposée à la nappe phréatique. Typiquement, un pare-vapeur extérieur tel qu'une feuille de plastique imperméable ou un revêtement pulvérisé est nécessaire pour empêcher la saturation.

Polystyrène orienté

Le polystyrène orienté (OPS) est produit en étirant un film PS extrudé, améliorant la visibilité à travers le matériau en réduisant le flou et en augmentant la rigidité. Ceci est souvent utilisé dans les emballages où le fabricant souhaite que le consommateur voie le produit joint. Certains avantages de l'OPS sont qu'il est moins coûteux à produire que d'autres plastiques transparents tels que le polypropylène (PP), (PET) et le polystyrène résistant aux chocs (HIPS) et qu'il est moins trouble que le HIPS ou le PP. Le principal inconvénient de l'OPS est qu'il est cassant et qu'il se fissure ou se déchire facilement.

Co-polymères

Le polystyrène ordinaire ( homopolymère ) a un excellent profil de propriétés concernant la transparence, la qualité de surface et la rigidité. Sa gamme d'applications est encore étendue par la copolymérisation et d'autres modifications ( mélanges par exemple avec du PC et du polystyrène syndiotactique). Plusieurs copolymères à base de styrène sont utilisés : Le croustillant du polystyrène homopolymère est surmonté par des copolymères styrène-butadiène modifiés par un élastomère. Les copolymères de styrène et d'acrylonitrile ( SAN ) sont plus résistants aux contraintes thermiques, à la chaleur et aux produits chimiques que les homopolymères et sont également transparents. Les copolymères appelés ABS ont des propriétés similaires et peuvent être utilisés à basse température, mais ils sont opaques .

Co-polymères styrène-butane

Les copolymères styrène-butane peuvent être produits avec une faible teneur en butène . Les copolymères styrène-butane comprennent PS-I et SBC (voir ci-dessous), les deux copolymères sont résistants aux chocs . PS-I est préparé par co-polymérisation greffée , SBC par co-polymérisation anionique bloc, ce qui le rend transparent en cas de taille de bloc appropriée.

Si le copolymère styrène-butane a une teneur élevée en butylène, il se forme du caoutchouc styrène-butadiène (SBR).

La résistance aux chocs des copolymères styrène-butadiène est basée sur la séparation de phases, le polystyrène et le poly-butane ne sont pas solubles l'un dans l'autre (voir la théorie de Flory-Huggins ). La copolymérisation crée une couche limite sans mélange complet. Les fractions de butadiène (la "phase caoutchouc") s'assemblent pour former des particules noyées dans une matrice de polystyrène. Un facteur décisif pour l'amélioration de la résistance aux chocs des copolymères styrène-butadiène est leur capacité d'absorption plus élevée pour les travaux de déformation. Sans force appliquée, la phase caoutchouteuse se comporte initialement comme une charge . Sous contrainte de traction, des craquelures (microfissures) se forment, qui se propagent aux particules de caoutchouc. L'énergie de la fissure qui se propage est ensuite transférée aux particules de caoutchouc le long de son trajet. Un grand nombre de fissures confèrent au matériau rigide à l'origine une structure stratifiée. La formation de chaque lamelle contribue à la consommation d'énergie et donc à une augmentation de l'allongement à la rupture. Les homopolymères de polystyrène se déforment lorsqu'une force est appliquée jusqu'à ce qu'ils se cassent. Les copolymères styrène-butane ne se cassent pas à ce stade, mais commencent à s'écouler, se solidifient jusqu'à la résistance à la traction et ne se cassent qu'à un allongement beaucoup plus élevé.

Avec une forte proportion de polybutadiène, l'effet des deux phases est inversé. Le caoutchouc styrène-butadiène se comporte comme un élastomère mais peut être traité comme un thermoplastique.

Polystyrène résistant aux chocs (PS-I)

PS-I ( i Mpact résistant p oly s Tyrene ) est constitué d'une matrice de polystyrène continue et une phase de caoutchouc dispersée dans celle - ci. Il est produit par polymérisation du styrène en présence de polybutadiène dissous (dans le styrène). La polymérisation s'effectue simultanément de deux manières :

Les particules de polybutadiène (particules de caoutchouc) dans le PS-I ont généralement un diamètre de 0,5 à 9 m. Ils diffusent ainsi la lumière visible, rendant le PS-I opaque. Le matériau est stable (aucune autre ségrégation de phase ne se produit) car le polybutadiène et le polystyrène sont chimiquement liés . Historiquement, le PS-I a d'abord été produit par simple mélange (mélange physique, appelé mélange) de polybutadiène et de polystyrène. De cette façon, un mélange de polymères est produit, pas un copolymère . Cependant, le matériau polyblend a des propriétés considérablement pires.

Copolymères séquencés styrène-butadiène

SBS ( s tyrene- b utadiene- de l'copolymère séquencé de Tyrene) est réalisée par anionique copolymérisation séquencée et comprend trois blocs:

SSSSSSS-SSSSSSS-SSSSSS BBBBBBB-BBBBBBB-BBBBBB SSSSSSS-SSSSSSS-SSSSSS

S représente sur la figure le motif répété styrène , B le motif répété butadiène. Cependant, le bloc central n'est souvent pas constitué de l'homopolymère de butane représenté mais d'un copolymère de styrène-butadiène :

SSSSSS-SSSSSSS-SSSSSS BB S BB S B - S BBBB S B - SS BBB S B SSSSSSS-SSSSSSS-SSSSS S

En utilisant un copolymère statistique à cette position, le polymère devient moins sensible à la réticulation et s'écoule mieux dans la masse fondue. Pour la production de SBS, le premier styrène est homopolymérisé par copolymérisation anionique. Typiquement, un composé organométallique tel que le butyllithium est utilisé comme catalyseur. Le butadiène est ensuite ajouté et après le styrène à nouveau sa polymérisation. Le catalyseur reste actif pendant tout le processus (pour lequel les produits chimiques utilisés doivent être de haute pureté). La distribution des poids moléculaires des polymères est très faible ( polydispersité de l'ordre de 1,05, les chaînes individuelles ont donc des longueurs très similaires). La longueur des blocs individuels peut être ajustée par le rapport du catalyseur au monomère. La taille des sections en caoutchouc, à son tour, dépend de la longueur du bloc. La réalisation de petites structures (inférieures à la longueur d'onde de la lumière) assure la transparence. Contrairement au PS-I, cependant, le copolymère séquencé ne forme pas de particules mais a une structure lamellaire.

Caoutchouc styrène-butadiène

Le caoutchouc styrène-butadiène (SBR) est produit comme le PS-I par copolymérisation greffée, mais avec une teneur en styrène plus faible. Le caoutchouc styrène-butadiène est ainsi constitué d'une matrice de caoutchouc dans laquelle est dispersée une phase polystyrène. Contrairement au PS-I et au SBC, il ne s'agit pas d'un thermoplastique , mais d'un élastomère . Au sein de la phase caoutchouc, la phase polystyrène est assemblée en domaines. Cela provoque une réticulation physique à un niveau microscopique. Lorsque le matériau est chauffé au-dessus du point de transition vitreuse, les domaines se désintègrent, la réticulation est temporairement suspendue et le matériau peut être traité comme un thermoplastique.

Acrylonitrile butadiène styrène

L'acrylonitrile butadiène styrène (ABS) est un matériau plus résistant que le polystyrène pur.

Autres

Le SMA est un copolymère avec l'anhydride maléique . Le styrène peut être copolymérisé avec d'autres monomères ; par exemple, le divinylbenzène peut être utilisé pour réticuler les chaînes de polystyrène pour donner le polymère utilisé dans la synthèse peptidique en phase solide . La résine styrène-acrylonitrile (SAN) a une plus grande résistance thermique que le styrène pur.

Problèmes environnementaux

Production

Les mousses de polystyrène sont produites à l'aide d'agents gonflants qui forment des bulles et dilatent la mousse. Dans le polystyrène expansé, il s'agit généralement d'hydrocarbures tels que le pentane , qui peuvent présenter un risque d'inflammabilité lors de la fabrication ou du stockage de matériaux nouvellement fabriqués, mais ont un impact environnemental relativement faible. Le polystyrène extrudé est généralement fabriqué avec des hydrofluorocarbures ( HFC-134a ), qui ont un potentiel de réchauffement planétaire d'environ 1 000 à 1 300 fois celui du dioxyde de carbone.

Non biodégradable

Les déchets de polystyrène mettent des centaines d'années à se biodégrader et sont résistants à la photo-oxydation .

Litière

Les animaux ne reconnaissent pas la mousse de polystyrène comme un matériau artificiel et peuvent même la confondre avec de la nourriture. La mousse de polystyrène souffle dans le vent et flotte sur l'eau, en raison de sa faible densité. Il peut avoir des effets graves sur la santé des oiseaux ou des animaux marins qui en avalent des quantités importantes. Des truites arc-en-ciel juvéniles exposées à des fragments de polystyrène ont produit des effets toxiques en provoquant des changements histomorphométriques substantiels.

Réduire

Restreindre l'utilisation d'emballages alimentaires en polystyrène expansé est une priorité pour de nombreuses organisations environnementales de déchets solides . Des efforts ont été faits pour trouver des alternatives au polystyrène, en particulier la mousse dans les restaurants. L'impulsion initiale était d'éliminer les chlorofluorocarbures (CFC), qui étaient un ancien composant de la mousse.

États Unis

En 1987, Berkeley, en Californie , a interdit les contenants alimentaires contenant des CFC. L'année suivante, le comté de Suffolk, dans l'État de New York , est devenu la première juridiction américaine à interdire le polystyrène en général. Cependant, des contestations judiciaires par la Society of the Plastics Industry ont empêché l'interdiction d'entrer en vigueur jusqu'à ce qu'elle soit finalement retardée lorsque les partis républicain et conservateur ont remporté la majorité de la législature du comté. Entre-temps, Berkeley est devenue la première ville à interdire tous les contenants alimentaires en mousse. En 2006, une centaine de localités aux États-Unis, dont Portland, Oregon et San Francisco avaient une sorte d'interdiction de la mousse de polystyrène dans les restaurants. Par exemple, en 2007, Oakland, en Californie , a demandé aux restaurants de passer à des contenants alimentaires jetables qui se biodégraderaient s'ils étaient ajoutés au compost alimentaire. En 2013, San José serait devenue la plus grande ville du pays à interdire les contenants alimentaires en mousse de polystyrène. Certaines communautés ont mis en place de larges interdictions de polystyrène, comme Freeport, Maine , qui l'a fait en 1990. En 1988, la première interdiction américaine de la mousse de polystyrène générale a été promulguée à Berkeley, en Californie.

Le 1er juillet 2015, la ville de New York est devenue la plus grande ville des États-Unis à tenter d'interdire la vente, la possession et la distribution de mousse de polystyrène à usage unique (la décision initiale a été annulée en appel). À San Francisco, les superviseurs ont approuvé l'interdiction la plus stricte de la « mousse de polystyrène » (EPS) aux États-Unis, qui est entrée en vigueur le 1er janvier 2017. Le ministère de l'Environnement de la ville peut faire des exceptions pour certaines utilisations comme l'expédition de médicaments à des températures prescrites.

La US Green Restaurant Association n'autorise pas l'utilisation de mousse de polystyrène dans le cadre de sa norme de certification. Plusieurs leaders écologiques, du ministère néerlandais de l'Environnement à l' équipe verte de Starbucks , conseillent aux gens de réduire leurs dommages environnementaux en utilisant des tasses à café réutilisables.

En mars 2019, le Maryland a interdit les contenants alimentaires en mousse de polystyrène et est devenu le premier État du pays à adopter une interdiction de la mousse des contenants alimentaires par le biais de la législature de l'État. Le Maine a été le premier État à imposer officiellement une interdiction des contenants alimentaires en mousse. En mai 2019 .

En septembre 2020, la législature de l'État du New Jersey a voté pour interdire les récipients alimentaires en mousse jetables et les gobelets en mousse de polystyrène.

En dehors des États-Unis

La Chine a interdit les récipients à emporter/à emporter en polystyrène expansé et la vaisselle vers 1999. Cependant, la conformité a été un problème et, en 2013, l'industrie chinoise des plastiques a fait pression pour l'abrogation de l'interdiction.

L'Inde et Taïwan ont également interdit les articles de restauration en mousse de polystyrène avant 2007.

Le gouvernement du Zimbabwe , par l'intermédiaire de son Agence de gestion de l'environnement (EMA), a interdit les conteneurs en polystyrène (communément appelés « kaylite » dans le pays), en vertu de l'Instrument statutaire 84 de 2012 (Emballages en plastique et bouteilles en plastique) (Amendement) Règlements, 2012 (No 1 .)

La ville de Vancouver , au Canada, a annoncé son plan Zéro déchet 2040 en 2018. La ville présentera des modifications au règlement pour interdire aux titulaires de licence commerciale de servir des aliments préparés dans des gobelets en mousse de polystyrène et des contenants à emporter, à compter du 1er juin 2019.

Les Fidji ont adopté le projet de loi sur la gestion de l'environnement en décembre 2020. Les importations de produits en polystyrène ont été interdites en janvier 2021.

Recyclage

Le symbole du code d'identification de la résine pour le polystyrène

En général, le polystyrène n'est pas accepté dans les programmes de collecte sélective et n'est pas séparé et recyclé là où il est accepté. En Allemagne, le polystyrène est collecté, en conséquence de la loi sur les emballages (Verpackungsverordnung) qui oblige les fabricants à assumer la responsabilité du recyclage ou de l'élimination de tout matériau d'emballage qu'ils vendent.

La plupart des produits en polystyrène ne sont actuellement pas recyclés en raison du manque d'incitation à investir dans les compacteurs et les systèmes logistiques nécessaires. En raison de la faible densité de la mousse de polystyrène, sa collecte n'est pas économique. Cependant, si les déchets subissent un processus de compactage initial, la densité du matériau passe généralement de 30 kg/m 3 à 330 kg/m 3 et devient un produit recyclable de grande valeur pour les producteurs de granulés de plastique recyclés. Les déchets de polystyrène expansé peuvent être facilement ajoutés à des produits tels que des feuilles d'isolation EPS et d'autres matériaux EPS pour les applications de construction ; de nombreux fabricants ne peuvent pas obtenir suffisamment de ferraille en raison de problèmes de collecte. Lorsqu'ils ne sont pas utilisés pour fabriquer plus de PSE, les déchets de mousse peuvent être transformés en produits tels que des cintres, des bancs de parc, des pots de fleurs, des jouets, des règles, des corps d'agrafeuses, des conteneurs de semis, des cadres et des moulures architecturales à partir de PS recyclé. Depuis 2016, environ 100 tonnes de PSE sont recyclées chaque mois au Royaume-Uni.

Le PSE recyclé est également utilisé dans de nombreuses opérations de coulée de métaux. Rastra est fabriqué à partir de PSE combiné à du ciment pour être utilisé comme amendement isolant dans la fabrication de fondations et de murs en béton. Depuis 1993, les fabricants américains produisent des coffrages isolants pour béton composés d'environ 80 % de PSE recyclé.

Incinération

Si le polystyrène est correctement incinéré à des températures élevées (jusqu'à 1000 °C) et avec beaucoup d'air (14 m 3 /kg), les produits chimiques générés sont de l'eau, du dioxyde de carbone et éventuellement de petites quantités de composés halogénés résiduels provenant des retardateurs de flamme. . Si seule une incinération incomplète est effectuée, il y aura également des restes de suie de carbone et un mélange complexe de composés volatils. Selon l' American Chemistry Council , lorsque le polystyrène est incinéré dans des installations modernes, le volume final est de 1% du volume de départ ; la majeure partie du polystyrène est convertie en dioxyde de carbone, vapeur d'eau et chaleur. En raison de la quantité de chaleur dégagée, il est parfois utilisé comme source d'énergie pour la production de vapeur ou d' électricité .

Lorsque le polystyrène était brûlé à des températures de 800 à 900 °C (la plage typique d'un incinérateur moderne), les produits de combustion consistaient en « un mélange complexe d' hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) allant des alkylbenzènes au benzopérylène. Plus de 90 composés différents ont été identifié dans les effluents de combustion du polystyrène. Le National Bureau of Standards Center for Fire Research a trouvé 57 sous-produits chimiques libérés lors de la combustion de mousse de polystyrène expansé (EPS).

Sécurité

Santé

L' American Chemistry Council , anciennement connu sous le nom de Chemical Manufacturers' Association, écrit :

Sur la base de tests scientifiques effectués sur cinq décennies, les agences gouvernementales de sécurité ont déterminé que le polystyrène peut être utilisé sans danger dans les produits de restauration. Par exemple, le polystyrène répond aux normes strictes de la Food and Drug Administration des États-Unis et de la Commission européenne/Autorité européenne de sécurité des aliments pour une utilisation dans les emballages pour stocker et servir des aliments. Le département d'hygiène alimentaire et environnementale de Hong Kong a récemment examiné la sécurité du service de divers aliments dans des produits de restauration en polystyrène et est parvenu à la même conclusion que la FDA américaine.

De 1999 à 2002, un examen complet des risques potentiels pour la santé associés à l'exposition au styrène a été mené par un groupe d'experts internationaux de 12 membres sélectionnés par le Harvard Center for Risk Assessment. Les scientifiques possédaient une expertise en toxicologie, épidémiologie, médecine, analyse des risques, pharmacocinétique et évaluation de l'exposition. L'étude de Harvard a rapporté que le styrène est naturellement présent à l'état de traces dans des aliments tels que les fraises, le bœuf et les épices, et est naturellement produit lors de la transformation d'aliments tels que le vin et le fromage. L'étude a également examiné toutes les données publiées sur la quantité de styrène contribuant au régime alimentaire en raison de la migration des emballages alimentaires et des articles jetables en contact avec les aliments, et a conclu que le risque pour le grand public lié à l'exposition au styrène provenant des aliments ou des applications en contact avec les aliments (comme comme les emballages en polystyrène et les contenants de restauration) était à des niveaux trop faibles pour produire des effets indésirables.

Le polystyrène est couramment utilisé dans les récipients pour aliments et boissons. Le monomère de styrène (à partir duquel le polystyrène est fabriqué) est un agent suspect de cancer. Le styrène se trouve "généralement à des niveaux si bas dans les produits de consommation que les risques ne sont pas substantiels". Le polystyrène utilisé pour le contact alimentaire ne doit pas contenir plus de 1% (0,5% pour les aliments gras) de styrène en poids. Les oligomères de styrène contenus dans des récipients en polystyrène utilisés pour l'emballage alimentaire se sont avérés migrer dans les aliments. Une autre étude japonaise menée sur des souris de type sauvage et AhR- null a révélé que le trimère de styrène, que les auteurs ont détecté dans des aliments instantanés emballés dans des contenants de polystyrène cuit, peut augmenter les niveaux d'hormones thyroïdiennes.

La question de savoir si le polystyrène peut être mis au micro-ondes avec de la nourriture est controversée. Certains contenants peuvent être utilisés en toute sécurité dans un four à micro-ondes, mais seulement s'ils sont étiquetés comme tels. Certaines sources suggèrent que les aliments contenant du carotène (vitamine A) ou des huiles de cuisson doivent être évités.

En raison de l'utilisation omniprésente du polystyrène, ces graves problèmes de santé restent d'actualité.

Risques d'incendie

Comme d'autres composés organiques , le polystyrène est inflammable. Le polystyrène est classé selon la norme DIN4102 en tant que produit « B3 », ce qui signifie hautement inflammable ou « facilement s'enflammer ». En conséquence, bien qu'il soit un isolant efficace à basse température, son utilisation est interdite dans toutes les installations exposées de la construction de bâtiments si le matériau n'est pas ignifuge . Il doit être dissimulé derrière des cloisons sèches , de la tôle ou du béton. Des matières plastiques en mousse de polystyrène ont été accidentellement enflammées et ont causé d'énormes incendies et des pertes de vie, par exemple à l' aéroport international de Düsseldorf et dans le tunnel sous la Manche (où le polystyrène était à l'intérieur d'un wagon de chemin de fer qui a pris feu).

Voir également

Les références

Bibliographie

Liens externes