Polystyrène

Découvert en 1839, industrialisé en 1931, bien utile pour l’isolation et l’emballage, mais difficilement biodégradable (…) le polystyrène est, avec le polyéthylène et le polypropylène, un matériau de grande consommation qui pourrait être recyclé.

Le polystyrène (PS en abrégé) est le polymère –(CH2-CH(Ph))n– obtenu par polymérisation du styrène PhCH=CH2 (cf. Styrène). Il se présente sous trois formes : le polystyrène « cristal » (PS, non cristallin, mais portant ce nom à cause de son aspect transparent), le polystyrène « choc » et le polystyrène expansé (PSE). Sans aucun ajout, le polystyrène est solide à 20 °C et pâteux à 120 °C, la fusion s’opérant entre 150 et 170 °C. C’est un matériau très facile à transformer, par injection ou extrusion par exemple.

D’une manière pratique, on le reconnait à son côté cassant avec un blanchissement sur les zones de contraintes. Le polystyrène, outre son côté cassant, souffre aussi d’une faible résistance chimique et d’une faible résistance à la fissuration sous contrainte. L’acétone le dissout très facilement comme les hydrocarbures chlorés et aromatiques. Les corps gras le fragilisent rapidement.

Comme le polypropylène (cf. Polypropylène), le polystyrène peut être atactique, syndiotactique ou isotactique, mais seul le premier est produit en grandes quantités. Les deux autres sont obtenus par catalyse organométallique et seul le polystyrène syndiotactique (SPS) trouve des applications de niche.

Le premier procédé de polymérisation utilisé (suspension aqueuse) développé en 1931-1933 par l’IG Farben fonctionnait en « discontinu ». Dès les années 40 apparaissent des procédés de polymérisation « en masse », continus ou discontinus. Le procédé « masse continu » devient le procédé le plus employé dans les années 60, grâce notamment aux progrès technologiques permettant d’évacuer la chaleur produite par la polymérisation (environ 710 kJ/kg). Le polystyrène expansé a été découvert fortuitement en 1944 à la Dow Chemical qui cherchait à copolymériser sous pression le styrène et l’isobutène. Le styrène fut le seul à se polymériser, l’isobutène se vaporisant et s’immisçant dans la matrice du polymère : le produit obtenu était un matériau rigide, de faible densité (Styrofoam).

    • Le polystyrène cristal est encore préparé en suspension aqueuse pour obtenir des masses molaires élevées : en milieu aqueux sous diazote, en présence de plastifiant (fluidifiant, par exemple : huile minérale) et d’un catalyseur peroxyde (peroxyde de benzoyle et hydroperoxyde de tertiobutyle), le monomère, présent sous forme de gouttelettes dans la suspension grâce à l’action d’un tensioactif (polyalcool vinylique et phosphate tricalcique), polymérise sous forme de perles. La polymérisation s’effectue en plusieurs étapes de 95 à 120 °C et conduit à une conversion complète du styrène.
      Dans le procédé masse continu cette polymérisation est effectuée en présence d’un diluant, l’éthylbenzène (0 à 15 % en masse, recyclé en fin de polymérisation), qui diminue la viscosité du milieu réactionnel et offre un meilleur contrôle des températures (80-170 °C).
    • Le polystyrène choc est obtenu en ajoutant au milieu réactionnel de 2 à 10 % de poly-1,3-butadiène (cf. Butadiène). Il présente une très bonne résistance aux chocs, mais il n’est pas transparent.
    • Le polystyrène expansé existe sous deux types : les polystyrènes expansés moulés (PSE-M) et les polystyrènes expansés extrudés (PSE-E).
      Le PSE-M est obtenu à partir d’un polystyrène « expansible » qui n’est rien d’autre qu’un polystyrène cristal auquel on a ajouté, en cours de polymérisation, un agent d’expansion (pentane, Eb = 35 °C). Une pré-expansion est opérée à la vapeur d’eau puis une période de stabilisation permet aux perles de PS pré-expansées de perdre leur excédent d’eau. Enfin, dans un moule, on l’expansion s’achève et les perles sont moulées à la vapeur.
      Le PSE-E est obtenu lors de l’extrusion (mise en forme thermique) par injection sous pression d’un gaz (pentane de plus en plus de préférence aux HCFC) dans le polymère cristal fondu.

Le SPS, plastique technique, possède une résistance thermique accrue (F = 270 °C) et une résistance chimique élevée. Il trouve des applications dans l’électronique, les équipements électriques et l’automobile.

Les propriétés de ces plastiques industriels (environ 18 Mt/an) sont utilisées dans de nombreux domaines pour leur :

résistance aux chocs : matériaux d’emballage (pour votre ordinateur, votre équipement électroménager, votre téléviseur ou vos équipements scientifiques !), éléments de décoration, matériel de bureau, protection des disques compacts, etc

pouvoir isolant thermique : bâtiment (isolation, cloisons, coffrage pour la coulée du béton, etc.), transport (isolation des installations frigorifiques) et conditionnement des produits frais (comme les poissons de l’Atlantique… de la criée à l’étal des grandes surfaces), etc.

imperméabilité : emballages en PS choc (pots de yaourt, conditionnement de produits laitiers),

vaisselle à usage unique, y compris les couteaux en première classe. On notera au passage que l’EPA américaine estime à 25 milliards le nombre de gobelets utilisés annuellement pour l’American way of life

densité : flotteurs en PSE (balises, lignes d’eau, etc.), bétons allégés par l’incorporation de PSE, etc.

Les applications militaires ne seraient pas en reste, du napalm « moderne » (napalm-B)… à la bombe, tout simplement.

Le polystyrène n’est pas biodégradable

Un simple gobelet ne serait dégradé qu’au bout de 500 ans, même photochimiquement… Des tentatives sont entreprises pour réduire la taille des particules de polystyrène en les associant à de l’amidon, du polylactate issus de ressources renouvelables, mais la seule issue possible réside actuellement dans le recyclage des matériaux polystyréniques et pose le problème de la collecte de ces matériaux, légiférée seulement dans quelques pays comme l’Allemagne. Le craquage produit du styrène ; dans l’industrie du bâtiment, les chutes de panneaux de PSE sont incorporées après broyage dans la manufacture de panneaux, de billes ajoutées aux bétons, etc. Toutefois, dans beaucoup de cas, l’incinération est le tombeau du polystyrène…

Pensée du jour :
« Après le chant du styrène, les champs de polystyrène… »

Sources :

Pour en savoir plus :

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