Polyéthylène

Matière plastique la plus connue, produite à plus de 85 Mt/an, c’est le plus simple des polymères du commerce, uniquement constitué d’enchainements de groupes CH2. C’est le polymère dont sont faits les « sacs plastiques » des supermarchés, les bouteilles de lait, beaucoup de jouets (pour les enfants) et même les gilets pare-balle (pour les adultes).

Ce matériau, qui a des usages aussi variés, a une structure très simple résultant du couplage d’un très grand nombre de molécules d’éthylène que l’on représente par les symboliques chimiques :

Le polyéthylène (PE) fut préparé en 1898 par Hans von Pechmann, chimiste allemand (chanceux !) qui l’obtint par chauffage du diazométhane CH2N2, produit instable et toxique, avec libération de diazote. Ce produit cireux fut par la suite caractérisé comme étant le polyméthylène.

Ce sont deux chimistes anglais des Imperial Chemical Industries (ICI), Eric Fawcett et Reginald Gibson, qui découvrirent par accident la première synthèse pratique du polyéthylène en employant une molécule plus facilement accessible, l’éthylène, C2H4. En chauffant sous haute pression (plusieurs centaines de bar) un mélange d’éthylène et de benzaldéhyde en présence de traces d’oxygène, ils obtinrent un matériau blanc, cireux. Cette réaction fut comprise en 1935 puis développée pour conduire en 1939 à la production industrielle par ICI d’un polyéthylène caractérisé par une densité de 0,95 et d’autres propriétés intéressantes. On raconte que l’emploi de ce matériau comme isolant pour les fils et câbles employés dans les premières installations de radar a contribué à la victoire britannique lors de la Bataille d’Angleterre.

La recherche de conditions plus douces de température et pression pour la polymérisation de l’éthylène a conduit dans les années 50 à la mise au point de systèmes catalytiques basés sur des métaux de transition : trioxyde de chrome, découvert en 1951 par Robert Banks et J. Paul Hogan à la Phillips Petroleum (États-Unis), combinaisons de chlorures de titane et de composés réducteurs organoaluminiques, développés en 1953 par Karl Ziegler au Max-Plack Institut für Kohlenfoschung (Allemagne). Les travaux séminaux de Karl Ziegler sur les combinaisons sels de métaux de transition-organoaluminiques lui ont valu de recevoir le Prix Nobel de Chimie, partagé avec l’itapdf Giulio Natta. Un troisième type de système catalytique, basé la combinaison d’une famille particulière de complexes organométalliques, les métallocenes, et de nouveaux réducteurs organométalliques, les alkylaluminoxanes, a été découvert en 1976 à Hambourg par Walter Kaminsky et Hansjörg Sinn. La recherche de nouveaux systèmes catalytiques est toujours d’actualité et conduit à des catalyseurs extrêmement performants, capables de produire plusieurs tonnes de PE par gramme de catalyseur !

Ces différentes familles de catalyseurs permettre l’obtention de divers types de polyéthylène et la copolymérisation de l’éthylène avec d’autres oléfines, conduisant ainsi à un large éventail de polyéthylènes répondant, par leurs propriétés, à des applications très spécifiques. Les polyéthylènes peuvent être linéaires ou ramifiés (branchés) et classés selon :

    • leur densité, qui dépend du nombre et de la longueur des ramifications présentes sur les chaînes moléculaires : PE-TBD (polyéthylène à très basse densité), PE-BDL (polyéthylène à basse densité linéaire), PE-BD (polyéthylène basse densité, 0,91-0,94), PE-HD (polyéthylène haute densité, > 0,94),
    • leur masse molaire : polyéthylène à très basse masse molaire, polyéthylène à masse molaire élevée, polyéthylène à masse molaire très élevée,
    • leur taux de réticulation, reflétant la présence de liaisons covalentes entre chaînes créées par réactions chimiques après polymérisation : polyéthylène réticulé (PE-R), polyéthylène réticulé à haute densité (PE-RHD).

L’utilisation la plus connue du polyéthylène est le sac plastique. Avec l’emploi du PE haute densité, le sac se froisse facilement sous la main, avec un bruit craquant et revient plus ou moins spontanément à sa forme d’origine. Avec le PE basse densité le touché est plus « gras », le sac se froisse sans bruit et se perce facilement avec le doigt.

Le PE haute densité est employé pour la fabrication de produits rigides : flacons (détergents, cosmétiques...), bouteilles, boîtes, jerricans, réservoirs de carburant pour automobiles, tuyaux…, alors que le PE basse densité est utilisé pour les produits souples : sacs, films, sachets, tubes souples… Le PE réticulé (PE-R) est réservé pour la fabrication de gaines de câbles. Le PE à masse molaire très élevé est usité pour ses hautes performances mécaniques, supérieures à celles des aramides comme le Kevlar : gilets pare-balle, articles de sports…

Bien que les polyéthylènes soient recyclables, la plupart de leurs applications commerciales finissent dans les décharges, mers et océans. En fait les polyéthylènes ne sont pas biodégradables, sauf s’ils sont exposés au rayonnement UV de la lumière du jour, ou associés à d’autres matériaux d’origine végétale et par conséquent biodégradables...

...d’où la pensée du jour

« Le polyéthylène, trop poly pour être net ? »

Sources

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