LA FABRICATION DES POLYMÈRES ET MATIÈRES

PLASTIQUES

Afin d’obtenir des matières plastiques, il est nécessaire de faire subir aux
monomères récemment extraits ou fabriqués un certain nombre de
transformations physiques et chimiques, qui permettront à ces substances de
devenir les produits de synthèse fondamentaux de la fabrication des
plastiques : les polymères. Ces macromolécules, dont les différentes natures
chimiques permettent la création de résines distinctes, voient leur propre
traitement varier en fonction des matières recherchées. Remontons ainsi
jusqu’à l’origine des plastiques.

LES POLYMERES
Un polymère est une macromolécule de masse molaire très élevée (> 25 000 g.mol–
1 jusqu’à 106 g.mol–1); elle est engendrée par la répétition d’une unité structurale
appelée motif unitaire. la molé- cule simple de départ est appelée monomère.
Exemple: l’éthylène CH2=CH2 conduit au polyéthylène –[CH2–CH2]n–.
Le nombre n de motifs est appelé degré de polymérisation.

Le terme macromolécule est souvent utilisé à la place de polymère.

La polymérisation est la réaction qui, à partir des monomères, forme en les liants des composés
de masse moléculaire plus élevée, les polymères ou macromolécules.Les noyaux des
monomères sont le plus souvent constitués d’un atome de carbone (molécules organiques) ou
d’un atome de silicium (polymères siliconés).

Un homopolymère est un polymère qui comporte des motifs monomères tous identiques.

Un copolymère est un polymère qui comporte des motifs monomères de deux ou plus sortes
différentes.

Les polymères peuvent être d’origine naturelle (animale ou végétale) ou d’origine synthétique.
Les macromolécules naturelles sont les caoutchoucs, les polysaccharides, le glycogène, l’ADN,
les protéines… Les macromolécules synthétiques sont représentées par exemple par le
polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène, le PVC, le PTFE, les polyesters, les
polycarbonates, les polysiloxanes, les polyimides…

Avant de nous pencher sur leur processus de fabrication à proprement parler,

attachons nous à décrire plus précisément les polymères, ces matériaux constitués
de longues chaînes de molécules élémentaires assemblées (les monomères), elles-
mêmes constituées d’atomes de carbone sur lesquelles des opérations chimiques
permettent de fixer d’autres éléments, comme de l’hydrogène, du chlore, de l’azote,
du fluor ou de l’oxygène.
Nombre de monomères impliqués dans une polymérisation/
UNE polymérisation ayant lieu avec un seul type de monomère s'appelle une
homopolymérisation et donne un homopolymère.
Une polymérisation ayant lieu avec au moins deux types de monomères s'appelle
une copolymérisation et donne un copolymère. Les monomères utilisés lors d'une
copolymérisation sont appelés comonomères3. La copolymérisation peut donner :
un copolymère, lorsque ce n'est pas spécifié, issu de la copolymérisation de deux
comonomères ;
un terpolymère, issu de la copolymérisation de trois comonomères ;
un quaterpolymère, issu de quatre comonomères.
Linéaires ou réticulées (appellations servant à qualifier les liaisons, simples ou
nombreuses, entre les monomères) ces précieuses macromolécules sont divisées en
trois grandes sections :
les thermoplastiques, les thermodurcissables et les élastomères.

1/ Les thermoplastiques

Si les polymères industriels thermoplastiques, composés de chaînes linéaires, ont

pour caractéristique principale, une fois chauffés au-delà d’un certain seuil de
température, de présenter une certaine malléabilité facilitant leur mise en forme, ces
matériaux uniques retrouvent leur rigidité initiale après refroidissement, sans pour
autant que la matière soit thermiquement dégradée. Une qualité non-négligeable
dont profitent directement les sociétés de recyclage du plastique, qui pourront les
traiter de nouveau sans affecter leur structure moléculaire. C’est dans cette catégorie
de polymères linéaires/plastiques que l’on trouve notamment des polyamides,
comme le nylon.
Propriétés physiques et Structures

structure est dite amorphe (ou vitreuse) : Lorsque le polymère est branché, les ramifications
empêchent une trop grande approche des molécules et les liaisons intermoléculaires
restent faibles. Cela se traduit par une structure totalement désordonnée, analogue à
celle d’un verre. Le polymère est alors dur et cassant
liaisons pontales (pont) :les polymères parfaitement linéaires, les molécules peuvent, s’aligner, se
rapprocher et établir des liaisons assez fortes. Cette cohésion entre les chaînes
entraîne l’existence de zones du solide où l’organisation rappelle celle des cristaux.
Les propriétés physiques dépendant essentiellement du taux de cristallinité.
Plus un polymère est ramifié, plus le taux de cristallinité est faible; L’iso ou la
syndiotacticité améliore le taux de cristallinité. (syndiotacticité : le degré et la forme
de régularité de la répartition des groupements substituant par rapport à la chaîne
aliphatique principale)
Propriétés thermiques

Lorsqu’il est chauffé, un polymère thermoplastique se ramollit et se transforme en liquide plus ou

moins visqueux.

Une élévation de température favorise l’état amorphe par rupture des liaisons pontales. Un très lent
refroidissement favorise la cristallinité.

Propriétés mécaniques
 La densité augmente lorsque les chaînes sont courtes et rapprochées; par contre elle diminue
lorsque des ramifications rendent les molécules encombrantes.

Une forte densité se traduit par une bonne rigidité et une bonne résistance à la traction (exemple le
Kevlar). Une faible densité se traduit par une bonne étirabilité.

La plage de travail d’un polymère est le domaine de températures où les chaînes sont mobiles les
unes par rapport aux autres et permettent le moulage. Elle est d’environ 100°C – 250°C.

Exemple: le plus importants des polymères thermoplastiques est le polyéthylène (25 à 30% de la
consommation mondiale de plastique; 1,3 millions de tonnes fabriqués en France par an). Selon son
mode de fabrication, on a deux types principaux: Ÿ le

PEBd, fabriqué à haute pression, qui est ramifié et de faible densité

PEHd, fabriqué à basse pression, qui est linéaire et de haute densité.

Type de polymère État physique TV TF Densité Applications

PEBd ramifié amorphe 110°C 0,91 à 0,93 feuilles et films pour

emballage, fils, isolants
de câbles électriques.

PEHd linéaire cristallin 135°C 0,94 à 0,97 objets moulés (conduites

2/ Les thermodurcissables

Fondamentalement différents des thermoplastiques, ces polymères organiques

réticulés se rigidifient de façon irréversible sous l’effet de la chaleur, et ne sauraient
être transformés de nouveau sans impliquer une dégradation de leur structure. En
effet, la matière thermodurcissable préserve sa forme en raison des nombreuses et
solides liaisons chimiques qui lient ses chaines. Les silicones et les phénoplastes,
comme la bakélite, font partie de cette famille de matériaux.

3/ Les élastomères

La réticulation est une opération chimique qui consiste à former un ou plusieurs

réseaux au cœur des polymères tridimensionnels, en liant entre elles les chaînes
macromoléculaires. C’est grâce à cette opération effectuée durant la conformation du
polymère que les élastomères (constituant de base des caoutchoucs),
particulièrement déformables, peuvent atteindre jusqu’à huit fois leur taille initiale
sans approcher le point de rupture.

LA POLYMERISATION
On appelle polymérisation la réaction chimique qui permet d’assembler entre eux les
différents monomères par le biais de liaisons covalentes (mise en commun
d’électrons des atomes constitutifs de la molécule) et transformer les bases liquides
ou gazeuses des matières premières en plastomères. Il en existe deux types
 principaux : la polymérisation par étapes, et la polymérisation en chaîne.

1 / Polymérisation par étapes, ou polycondensation

La structure de certains monomères peut présenter ce qu’on appelle en chimie des

groupes fonctionnels, c'est-à-dire un atome, ou un groupe d’atomes, dont les
propriétés chimiques restent similaires au sein de composés différents, et peuvent
réagir ensemble.

Au cours d’une opération de polycondensation, les monomères présentant des

groupes fonctionnels réagissent entre eux de manière aléatoire, à l’aide d’un
catalyseur chimique (un acide, par exemple) et d’une série d’étapes de
condensation, qui se chargent d’éliminer les molécules indésirables, comme celles
de l’eau. Les monomères forment alors de petites sections de chaînes qui vont
progressivement s’associer, tronçon par tronçon, se transformer en dimères (une
molécule ne comportant que deux sous-unités), en trimères, en oligomères, et enfin
en polymères artificiels à chaîne longue (ou polymères séquencés). La masse
molaire (ou quantité de matière) augmente donc au cours du temps de réaction, et
réduit par capillarité la concentration en monomères.

Les polycondensats (polymères obtenus par polycondensation) ne représentent

aujourd’hui que 10% de la production mondiale de matières plastiques, mais le cumul
de de leurs qualités (polyvalence, haute-résistance thermique ou chimique, haute
ténacité de la fibre etc.) font d’eux des polymères particulièrement nobles, qui
figurent après utilisation parmi les déchets recyclables. Sont ainsi synthétisées par ce
type de réaction - également utilisée en fin de cycle pour la valorisation des déchets
plastiques - les familles de matériaux solides suivantes : les fibres polyamides
(comme le nylon ou le kevlar), les polyesters (comme le tergal), les polyuréthanes
(utilisés pour faire de la mousse isolante) ou certaines résines, comme celles qui
composent le formica.

2/ Polymérisation en chaîne, ou polyaddition

La polyaddition est une réaction qui permet de relier consécutivement les

monomères, par additions successives et contrôlées, sur une extrémité de la chaine
macromoléculaire. La nature du monomère situé à cette extrémité détermine
également le nom de la réaction. S’il s’agit d’un radical chimique (c'est-à-dire avec un
ou plusieurs électrons non reliés sur sa couche externe), la polyaddition est aussi
appelée polymérisation radicalaire. A contrario, si cette extrémité est ionique, on
parle de polymérisation anionique ou cationique.
La polyaddition se divise en trois phases majeures :
• La phase d’amorçage, au cours de laquelle un activateur chimique se lie à un
monomère, et forme un centre actif qui définit le point de départ de la polymérisation.
• La phase de propagation, qui voit le monomère activé se mettre en relation avec le
dernier monomère récupéré en fin de chaine, et augmenter progressivement la
masse du polymère en formation (qui possède ici la même structure que les
monomères, puisqu’aucune molécule n’est éliminée durant le processus).
• La phase de terminaison, durant laquelle un agent chimique permet au polymère de
désactiver le monomère situé à l’extrémité de la chaine moléculaire.

Plus de 90% de la production mondiale de matières plastiques s’effectue avec des

composés issus d’une polyaddition. Au sein de cette vaste famille de polymères, on
distingue notamment le polyéthylène (que l’on retrouve dans les matériaux
recyclables comme les films protecteurs, les emballages alimentaires ou certains
isolants,), le polystyrène (bien connu, il est semi-rigide, peut servir à fabriquer par
exemple des jouets ou des pots de yaourts, et figure parmi les déchets recyclables
traités par Paprec group), le polychlorure de vinyle (bouteilles, encadrements de
portes ou de fenêtres), le poly-acétate de vinyle, qui peut servir à fabriquer du vernis
ou de la peinture, et le polypropylène (produit en film ou en pièces, on le trouve dans
l’habitacle de nos automobiles, mais aussi dans les emballages alimentaires. Il existe
d’ailleurs plusieurs grades de polypropylène, comme le PP « injection », qui figure
parmi les plastiques recyclables facilement, ou le PP « film », qui intègre plus
difficilement le cycle de recyclage des plastiques.

L’INCORPORATION D’ADJUVANTS

Afin de finaliser le traitement du plastique, et mieux le préparer à sa future mise en

œuvre, il est nécessaire d’ajouter certains additifs à la composition des polymères
synthétiques. Ce sont eux qui permettront aux industriels de produire une matière
parfaitement adaptée à son utilisation prochaine. Parmi ces additifs, on note la
présence de :
• Charges minérales, métalliques ou organiques, comme le verre, l’aluminium ou la
farine de bois, qui améliorent les qualités du plastique et sa résistance (thermique ou
chimique). On incorpore plus ou moins de charges en fonction de la matière
recherchée, en gardant à l’esprit qu’une résine plastique principalement faite de
polymères revient plus cher qu’une résine composite.
• Plastifiants, des produits chimiques utilisés pour réduire la rigidité des plastiques.
Parmi ces molécules compatibles avec certains polymères, on compte notamment
des naphtalènes, ou des mélamines.
• Stabilisants chimiques, comme les antioxydants, qui préviennent la dégradation des
polymères au cours de leur transformation.
• Antistatiques, des produits chimiques qui empêchent le dépôt de poussière sur le
plastique.
• Lubrifiants, comme la cire ou la paraffine, qui empêchent les matériaux organiques
d’adhérer aux machines, mais limitent également l’usure des plastiques.
• Colorants, qui changent comme leur nom l’indique la couleur des résines.
• Retardateurs de flamme ou ignifugeants, qui offrent aux matières plastiques une
meilleure résistance au feu, et sont particulièrement utilisés dans le traitement des
matériaux de construction.

Tout juste synthétisés et enrichis, les polymères peuvent se présentent dans la

majeure partie des cas sous la forme de poudres ou de granulés de résine, prêt à
être transformés, mis en œuvre, et mis sur le marché. Ils deviendront ensuite des
déchets plastiques, et seront de nouveau traités pour connaitre une seconde vie.