plastiques, matières

plastiques, matières, matières composées principalement de polymères, c'est-à-dire de longues chaînes de macromolécules organiques, ayant la propriété de se mettre en forme facilement par extrusion, moulage, coulage ou filage après un chauffage modéré (100-200 °C), puis de conserver leur forme après refroidissement. Ces matériaux peuvent être rigides, semi-rigides ou souples selon leur composition chimique et les additifs incorporés.

Les matières plastiques sont intéressantes à plusieurs points de vue : leur rapport résistance à la rupture / masse volumique est très élevé, ce qui permet d'obtenir des objets légers mais solides ; elles possèdent d'excellentes propriétés d'isolation thermique et électrique, ce qui les rend utiles dans de nombreux domaines industriels et domestiques ; elles offrent également une bonne résistance aux acides, aux bases et à de nombreux solvants. À ces avantages s'ajoutent leur facilité de mise en oeuvre, leur coût relativement faible et la possibilité de les produire en très grande série.

Historique

Les premières matières plastiques

Les premières matières plastiques ont été réalisées à base de polymères naturels, plus ou moins modifiés chimiquement, utilisés depuis longtemps par l'homme sous différentes formes artisanales. Ainsi, en 1847, on commença à utiliser du nitrate de cellulose (cellulose extraite de végétaux modifiée par une réaction de nitratation) pour la fabrication de laques, de revêtements et de certains objets décoratifs. Ce matériau présentait déjà des propriétés intéressantes de solidification rapide et de brillance.

En 1870, l'Américain Hyatt synthétisa du Celluloïd à partir d'un mélange de camphre et de nitrate de cellulose, en y ajoutant un solvant à base d'alcool afin d'obtenir une matière malléable. Ce composé fut utilisé par la suite pour la fabrication de films photographiques et cinématographiques, mais aussi pour des objets du quotidien comme les peignes ou les manches d'outils, en raison de sa facilité de moulage.

C'est à la même époque que l'on mit au point l'élaboration de matières plastiques à base de résines synthétiques. L'Américain Leo Hendrik Baekeland fut le premier à préparer une forme de Bakélite, en 1909, à partir de dérivés phénoliques et de formol, ouvrant ainsi la voie aux plastiques entièrement synthétiques. Ce matériau, dur et résistant à la chaleur, fut largement utilisé dans l'industrie électrique.

D'autres matières plastiques apparurent au même moment ou peu après, comme la rayonne, fabriquée à partir de la cellulose transformée chimiquement. Elle fut utilisée comme fibre textile et représenta une alternative aux fibres naturelles plus coûteuses ou moins disponibles.

En 1922, le chimiste allemand Hermann Staudinger introduisit la notion de macromolécule, molécule comportant de plusieurs milliers à plusieurs centaines de milliers d'atomes. Cette idée fondamentale permit de poser les bases de l'étude moderne des polymères, composants essentiels des matières plastiques et des élastomères. Grâce à cette hypothèse, on put assister au développement rapide d'une nouvelle génération de matières plastiques, y compris de produits totalement synthétiques aux propriétés inédites.

Au cours des années 1920 et 1930, un grand nombre de nouveaux produits firent ainsi leur apparition : l'acétate de cellulose, utilisé dans le moulage des résines et dans les fibres textiles ; le chlorure de polyvinyle (PVC), bon isolateur électrique, utilisé dans la fabrication de tuyaux, les revêtements vinyliques et l'isolation des fils électriques ; les résines urée-formol, utilisées dans la vaisselle et les installations électriques ; la résine acrylique, employée comme liant pour le verre feuilleté et certains revêtements transparents ; le polyméthacrylate de méthyle (Plexiglas), qui possède d'excellentes propriétés optiques, employé dans les lunettes, les lentilles photographiques et les éclairages publicitaires ; les résines de polystyrène (PS), commercialisées vers 1937, caractérisées par une grande résistance aux agressions chimiques et mécaniques à basse température, utilisées dans les équipements de réfrigération et les avions de haute altitude ; le polytétrafluoroéthylène (Teflon), apparu en 1938, qui offre une grande résistance à la corrosion et à la chaleur ; le polyamide (Nylon), synthétisé dans les années 1930, qui fut le premier plastique technique à haute performance utilisé massivement.

Ces recherches sur de nouvelles matières plastiques se poursuivirent au cours de la Seconde Guerre mondiale, période durant laquelle les besoins industriels accélérèrent encore les innovations. Le Nylon devint rapidement la base de nombreux textiles résistants, tandis que les polyesters servirent à fabriquer des composants techniques, des blindages et d'autres matériels de guerre.

L'après-guerre

L'élan scientifique et technologique insufflé à l'industrie des matières plastiques se poursuivit après la guerre, avec une intensification des recherches et une diversification des applications. On mit au point des matières plastiques telles que les polycarbonates, les acétals et les polyamides, chacun apportant des propriétés mécaniques ou thermiques spécifiques. D'autres produits synthétiques remplacèrent progressivement le métal sur certaines machines, sur les casques de sécurité, les appareils domestiques ou les véhicules, modifiant profondément l'industrie moderne.

En 1953, le chimiste allemand Karl Ziegler réussit la synthèse du polyéthylène dans des conditions industrielles contrôlées ; un an plus tard, le chimiste italien Giulio Natta mit au point le polypropène, améliorant encore les propriétés mécaniques de ce matériau. Les deux scientifiques partagèrent, en 1963, le prix Nobel de chimie pour leurs travaux sur les polymères, qui ont profondément transformé la chimie industrielle. Le polyéthylène et le polypropène font aujourd'hui partie des matières plastiques les plus importantes et les plus utilisées dans le monde.

Grâce à la synthèse de tous ces nouveaux produits, la chimie organique a connu, au XXe siècle, un formidable essor industriel et scientifique. Aujourd'hui, presque tous les matériaux naturels sont concurrencés par des équivalents synthétiques, souvent moins coûteux, plus résistants ou plus faciles à produire en masse.

Types de matières plastiques

Il existe quatre classifications possibles des matières plastiques : d'après leur procédé de polymérisation, d'après leur comportement thermique, d'après leur nature chimique et d'après leur type d'usage industriel ou domestique. Chacune de ces classifications permet de mieux comprendre les propriétés des plastiques et leur adaptation à des applications spécifiques dans l'industrie moderne.

Polymérisation

Les deux procédés de base de la polymérisation sont les réactions par condensation et par addition, qui constituent les deux grandes familles de mécanismes permettant de construire des macromolécules à partir de petites unités appelées monomères. La condensation produit des polymères à longueur de chaîne variable, tout en libérant de petites molécules comme l'eau, l'ammoniac et le glycol, qui doivent être éliminées au cours du processus. La réaction par addition, au contraire, ne génère que des polymères de longueurs spécifiques, sans aucun sous-produit, ce qui la rend particulièrement efficace pour certaines productions industrielles.

Les polymères types formés par condensation sont les Nylons, les polyuréthannes (PU) et les polyesters, qui possèdent des structures souvent complexes et des propriétés mécaniques variées. Parmi les polymères synthétisés par addition, on peut citer le polyéthylène (PE), le polypropène (PP), le chlorure de polyvinyle (PVC) et le polystyrène (PS), qui sont largement utilisés dans l'industrie moderne pour leurs performances et leur coût relativement faible.

Comportement thermique

On distingue les thermoplastiques des thermodurcissables par leur comportement thermique et leur réaction aux variations de température. Les thermoplastiques, constitués de polymères linéaires ou ramifiés, fondent de manière réversible par simple chauffage (100-200 °C), ce qui permet leur remodelage répété sans altération chimique importante. Cette propriété est utilisée pour leur mise en forme industrielle, notamment par injection, extrusion ou moulage.

Parmi les thermoplastiques, on peut citer le polyéthylène, le polypropène, le chlorure de polyvinyle et le polystyrène, qui sont parmi les plus répandus. Les plastiques thermodurcissables, en revanche, subissent une cuisson (vulcanisation) après leur mise en forme afin de les réticuler, c'est-à-dire de créer des ponts entre les chaînes moléculaires. Cette opération les rend infusibles et irréversibles, car ils ne peuvent plus être remodelés sans dégradation. Ce sont principalement les résines polyesters, phénoliques, polyuréthannes ou les résines à base de formaldéhyde, utilisées pour des pièces nécessitant une grande stabilité thermique.

Nature chimique

La nature chimique d'un plastique est définie par le ou les monomères formant le motif de base de la chaîne du polymère, ainsi que par la structure globale des liaisons entre ces unités répétitives. Par exemple, les polyoléfines sont composées de motifs de monomères d'oléfine, qui sont des chaînes hydrocarbonées comportant au moins une double liaison carbone-carbone.

Le polyéthène est une polyoléfine dont le motif monomère est l'éthène (appelé communément éthylène), ce qui explique sa simplicité structurale et sa grande inertie chimique. Parmi les grandes familles chimiques de plastiques, on peut mentionner les acryliques (comme le polyméthacrylate de méthyle), les styrènes (comme le polystyrène), les halogénures vinyliques (comme le chlorure de polyvinyle), les polyesters, les polyuréthannes, les polyamides (comme les Nylons), les polyéthers, les acétals, les phénoliques, les cellulosiques et les résines aminées, chacune possédant des propriétés spécifiques adaptées à différents usages.

Type d'usage

Les plastiques de commodité, comme le polyéthylène, le polypropène, le chlorure de polyvinyle, le polystyrène, les polyesters insaturés ou les résines thermodurcissables de faible poids moléculaire, sont faciles à mettre en oeuvre et permettent une production à grande échelle. Ils remplacent avantageusement des matériaux naturels comme le bois, le verre ou les métaux, grâce à leur faible prix de revient, leur légèreté et leur polyvalence.

Les matières plastiques techniques, comme les polyamides ou les polycarbonates, ont été mises au point pour des applications spécifiques nécessitant des performances élevées. Elles peuvent atteindre de très hautes performances mécaniques, chimiques, électriques et/ou optiques, mais leur prix de revient est plus élevé et leur fabrication plus complexe.

Fabrication

La fabrication des matières plastiques suppose plusieurs étapes successives, notamment l'approvisionnement en matières premières issues de la pétrochimie ou de la chimie organique, la synthèse du polymère de base par des procédés contrôlés de polymérisation, et enfin le traitement du polymère obtenu afin de le transformer en un matériau adapté à la fabrication industrielle et à la mise en forme finale des objets destinés à l'usage quotidien ou technique.

Matières premières

À l'origine, la plupart des matières plastiques provenaient de résines naturelles ou semi-naturelles dérivées de matières végétales, comme la cellulose (extraite du coton et de divers végétaux), le furfural (extrait de céréales et de résidus agricoles), les huiles (obtenues à partir de graines oléagineuses), les dérivés d'amidon issus de plantes riches en glucides ou encore le charbon transformé par des procédés chimiques. Ces ressources constituaient les premières bases de la chimie des polymères avant l'essor de la pétrochimie moderne.

La caséine (issue du lait), d'origine animale, était l'une des seules matières non végétales utilisées de manière significative dans les premières formes de plastiques industriels. Aujourd'hui, la situation a profondément évolué : la plupart des matières plastiques sont désormais synthétisées à partir de produits pétrochimiques issus du raffinage du pétrole et du gaz naturel. La chimie organique moderne permet de préparer tous les précurseurs des polymères à partir de ces ressources fossiles, de façon abondante, standardisée et à faible coût industriel, ce qui a révolutionné la production mondiale de plastiques.

Synthèse du polymère

La polymérisation constitue la première phase essentielle de fabrication du plastique, au cours de laquelle les petites molécules appelées monomères sont assemblées pour former des chaînes macromoléculaires appelées polymères. On utilise principalement des réactions par condensation ou par addition (voir Polymères), chacune suivant des mécanismes chimiques différents mais complémentaires dans l'industrie.

L'ajout de copolymères (c'est-à-dire de monomères différents combinés dans une même chaîne) permet de modifier en profondeur les propriétés du polymère obtenu. Par exemple, on peut ainsi augmenter son aptitude au thermoformage, améliorer sa résistance à l'état fondu, accroître sa résistance aux chocs (copolymères séquencés) ou encore ajuster ses propriétés optiques et sa transparence (copolymères statistiques du polyéthylène, par exemple). Ces ajustements permettent d'adapter précisément les matériaux aux besoins industriels.

Adjuvants

Des adjuvants chimiques sont souvent utilisés en faible quantité (quelques pour cent seulement) afin de conférer aux matières plastiques des caractéristiques spécifiques et améliorées. Parmi eux, on trouve les pigments et les colorants, qui permettent de modifier l'aspect visuel, les stabilisants et les anti-oxydants, qui augmentent la résistance du polymère à la chaleur, aux ultraviolets, à l'oxygène ou à l'ozone.

On utilise également des ignifugeants, qui augmentent la résistance du matériau au feu, des charges renforçantes qui améliorent la résistance mécanique, ainsi que des charges inertes qui permettent de réduire le prix de revient tout en conservant certaines propriétés physiques. Enfin, les lubrifiants facilitent les opérations de moulage et de démoulage, tandis que les plastifiants permettent d'adapter la rigidité du plastique à l'usage souhaité, en le rendant plus souple ou plus flexible selon les besoins.

Façonnage et finition

Les techniques utilisées pour le façonnage et la finition des matières plastiques dépendent principalement de trois facteurs essentiels : le temps d'application, la température de transformation et la plasticité intrinsèque de ces substances, qui varie selon leur structure chimique.

On emploie couramment l'extrusion, c'est-à-dire l'injection du plastique à travers une filière ayant la forme désirée au moyen d'un appareil appelé extrudeuse, qui permet une production continue. Les produits extrudés, comme les tuyaux, les profilés ou les gaines, présentent une section transversale de forme régulière et constante sur toute leur longueur.

L'extrudeuse sert également à effectuer d'autres opérations industrielles importantes, comme le moulage par soufflage et le moulage par injection. Dans le moulage par soufflage, l'extrudeuse remplit le moule avec un tube de matière fondue, qui est ensuite coupé et bridé pour former une structure creuse appelée paraison. Cette paraison chaude est ensuite gonflée comme un ballon et plaquée contre les parois du moule afin d'obtenir la forme finale désirée.

Dans le moulage par injection, une ou plusieurs extrudeuses sont utilisées avec des vis-pistons qui avancent pour injecter la matière fondue dans un moule fermé, puis reculent afin de réitérer le processus avec un nouvel apport de matière. Dans le moulage par soufflage-injection, utilisé notamment dans la fabrication des bouteilles d'eau minérale, la paraison est d'abord moulée par injection, puis réchauffée et soufflée pour prendre sa forme finale.

Dans le moulage par compression, on applique une pression importante au plastique afin de lui donner directement la forme souhaitée dans un moule chauffé.

Certaines matières plastiques, en particulier celles qui présentent une très grande résistance à la température et à la déformation, exigent des procédés de fabrication spécifiques et plus complexes. Par exemple, le polytétrafluoroéthylène possède une viscosité si élevée qu'il est d'abord pressé en forme puis fritté, c'est-à-dire exposé à des températures extrêmement élevées qui l'agglutinent en une masse cohésive sans le faire fondre réellement. Quelques polyamides techniques sont produits par un procédé similaire, adapté à leurs propriétés particulières.

Utilisations

Le domaine d'application des matières plastiques est devenu de plus en plus vaste au fil du temps, au point de couvrir pratiquement tous les secteurs industriels modernes : environ 40 p. 100 des plastiques sont utilisés sous forme de plaques, feuilles, films, tubes, tuyaux ou profilés destinés à la construction et à l'industrie ; 30 p. 100 sont destinés à l'emballage de type flaconnage et conditionnement ; 18 p. 100 sont utilisés dans le bâtiment et les travaux publics ; 6 p. 100 dans des pièces techniques comme l'automobile, l'électricité et l'électroménager ; et enfin 6 p. 100 dans les biens de consommation courante tels que l'ameublement, les vêtements et les chaussures.

Emballage

L'industrie de l'emballage est l'une des premières industries utilisatrices de matières plastiques et constitue aujourd'hui un domaine central de leur consommation mondiale. Une grande partie du polyéthylène basse densité (PEBD) est commercialisée en rouleaux de plastique transparent utilisés pour les films alimentaires, les protections industrielles et les emballages souples. Le polyéthylène haute densité (PEHD) est utilisé pour certains films plastiques plus épais, notamment les sacs poubelle, les bidons, les bouteilles et divers conteneurs résistants.

Le polypropylène, le polystyrène et le polychlorure de vinyle (PVC) interviennent également dans d'autres formes de plastiques d'emballage, chacun apportant des propriétés spécifiques comme la rigidité, la transparence ou la résistance chimique. Le polypropylène constitue une barrière efficace contre la vapeur d'eau et certains gaz, ce qui en fait un matériau privilégié pour la conservation des aliments. On l'utilise également dans l'équipement ménager, les contenants alimentaires, et sous forme fibreuse dans les tapis, les textiles techniques et les câbles industriels.

Industrie du bâtiment

L'industrie du bâtiment emploie un très grand nombre de matières plastiques, notamment certaines des matières plastiques d'emballage précitées, adaptées ici à des usages structurels ou techniques. Comme le PEHD, le PVC est largement utilisé dans la fabrication des tuyaux d'adduction d'eau, des systèmes d'évacuation et des conduites industrielles en raison de sa résistance à la corrosion et de sa durabilité.

Il est également employé sous forme de feuilles pour les matériaux de construction, les revêtements de sol, les membranes d'étanchéité et les matériaux d'isolation thermique et acoustique. De nombreuses matières plastiques servent aussi à l'isolation des câbles et des fils électriques, garantissant sécurité et longévité dans les installations domestiques et industrielles.

D'autres produits en plastique entrent dans la composition des toitures modernes, des cadres de portes et de fenêtres, des matériaux stratifiés décoratifs, ainsi que dans certains moulages, fixations et outils de quincaillerie. L'utilisation des plastiques dans le bâtiment a permis d'améliorer les performances énergétiques et de réduire les coûts de construction.

Autres applications

On emploie certaines matières plastiques particulièrement résistantes dans la fabrication des véhicules modernes, où elles remplacent progressivement certains métaux afin de réduire le poids et améliorer l'efficacité énergétique. Elles sont utilisées pour les tubes d'admission d'air, les conduites de carburant, les pompes de carburant et divers composants techniques soumis à des contraintes mécaniques et thermiques.

D'autres plastiques sont employés dans les garnitures intérieures, les tableaux de bord, les sièges et le capitonnage, contribuant au confort et à la sécurité des passagers. De nombreuses carrosseries de voitures sont également réalisées en plastique renforcé par des fibres de verre, offrant un bon compromis entre légèreté et résistance aux chocs.

Enfin, parmi d'autres applications très variées, on peut citer les châssis d'ordinateurs et d'appareils électroniques, les boîtiers de protection, les bagages, les jouets, les équipements sportifs et de nombreux objets du quotidien, ce qui illustre la polyvalence exceptionnelle des matières plastiques dans la société moderne.

Santé et environnement

Les matières plastiques étant relativement inertes sur le plan chimique, les produits finis ne présentent normalement aucun danger pour la santé du fabricant ou de l'utilisateur dans des conditions normales d'utilisation. Toutefois, certains monomères et additifs utilisés dans la fabrication des matières plastiques se sont révélés cancérigènes ou toxiques, comme le benzène, qui entre dans certaines synthèses industrielles, notamment dans des dérivés utilisés pour le Nylon et d'autres polymères.

Certains rejets issus des industries de transformation des plastiques peuvent également être très polluants s'ils ne sont pas correctement traités, notamment sous forme de composés organiques volatils ou de résidus chimiques persistants. La gestion de ces déchets industriels est donc devenue un enjeu environnemental majeur.

La plupart des matières plastiques synthétiques ne sont pas biodégradables et ne se décomposent pas naturellement avec le temps, ce qui entraîne une accumulation progressive dans les sols et les océans. Le recyclage apparaît comme la méthode la plus efficace pour réduire ce problème, mais il ne peut pas s'appliquer facilement aux plastiques thermodurcissables ni aux mélanges complexes de plusieurs polymères.

Vers le début des années 1990, un certain nombre de secteurs industriels, notamment l'automobile et l'emballage, se sont engagés à utiliser davantage de plastiques recyclables, principalement des thermoplastiques triés et traités séparément afin d'éviter les problèmes de contamination des matériaux. Des solutions plus complexes et innovantes sont encore à l'étude pour améliorer le recyclage des autres types de plastiques et réduire leur impact environnemental global.