Polyéthylène

Polyéthylène
Identification
Nom UICPA	poly(méthylène)
Synonymes	polyéthène, homopolymère d'éthylène, PE
No CAS	9002-88-4
No ECHA	100.121.698
No E	E914 (cire de PE oxydée)
SMILES	*CC* PubChem, vue 3D
Apparence	solide de forme variable blanc
Propriétés chimiques
Formule	(C2H4)n
Propriétés physiques
T° transition vitreuse	~ −110 °C (transition γ)
T° fusion	85 à 140 °C
Paramètre de solubilité δ	16,2 MPa1/2
Masse volumique	0,91–0,96 g·cm-3
T° d'auto-inflammation	330 à 410 °C
Point d’éclair	341 °C
Propriétés électroniques
Constante diélectrique	2,3 (1 kHz, 23 °C)
Précautions
Classification du CIRC
Groupe 3 : Inclassable quant à sa cancérogénicité pour l'Homme
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Le polyéthylène (sigle générique PE), ou polyéthène, désigne les polymères d'éthylène. Simples et peu chers à fabriquer, les PE constituent la matière plastique la plus commune, représentant avec 100 millions de tonnes, environ un tiers de l'ensemble des plastiques produits en 2018 et la moitié des emballages.

Le PE qui appartient à la famille des polyoléfines est un important polymère de synthèse de la pétrochimie avec le polypropylène (PP), le PVC et le polystyrène (PS). Sa température de transition vitreuse est très basse (voisine de −110 °C) et son point de fusion peut selon les grades atteindre 140 °C, mais sa résistance mécanique fléchit nettement dès 75 à 90 °C. Contrairement au polypropylène, la température d'utilisation ne peut excéder le point d'ébullition de l'eau. Sa nature paraffinique explique sa grande inertie chimique. Il existe différents types de polyéthylènes dont les homopolymères à basse densité (LDPE) et à haute densité (HDPE), et des copolymères (LLDPE, plastomères, par exemple).

Production

Son nom vient du fait qu'il est obtenu par polymérisation des monomères d'éthylène (CH₂=CH₂) en une structure complexe de formule générique -(CH₂-CH₂)_n-.

Le polyéthylène est la seule polyoléfine qui puisse être préparée par voie radicalaire.

Le polyéthylène est surtout issu de la pétrochimie. En juin 2007, la compagnie brésilienne Braskem a annoncé la certification d'un polyéthylène vert, polymérisé à partir d'éthylène issu d'éthanol lui-même obtenu par fermentation de canne à sucre.

Classification

Les polyéthylènes peuvent être

• linéaires ou branchés (ou ramifiés), et dès lors classés selon :
  • leur densité qui dépend du nombre et de la longueur des ramifications présentes sur les chaînes moléculaires
  • leur masse molaire :
    • polyéthylène à masse molaire très basse (ULMWPE ou PE-WAX, ultra low molecular weight polyethylene) ;
    • polyéthylène à masse molaire élevée (HMWPE, high molecular weight polyethylene) ;
    • PE-UHPM, polyéthylène de masse molaire très élevée (UHMWPE, ultra-high-molecular-weight polyethylene ou PE-UHMW selon la norme EN ISO 1043-1) ;
• réticulés : les polyéthylènes réticulés (PE-R, dits aussi PEX ou XLPE, pour cross-linked polyethylene) sont presque tous faits à partir de polyéthylène à haute densité (HDPE), on les désigne alors :
  • PE-RHD, polyéthylène réticulé à haute densité (HDXLPE, high density cross-linked polyethylene).

Nom	Sigle en français	Sigle en anglais	Abréviation selon la norme EN ISO 1043-1	Synthèse	Branchements	Masse volumique (g/cm3)
Polyéthylène à très basse densité	PE-TBD	VLDPE, very low density polyethylene	PE-VLD	Catalyse de Ziegler-Natta à basse pression (< 10 bar) et par catalyse métallocènes (mPE-TBD)
Polyéthylène à basse densité linéaire	PE-BDL	LLDPE, linear low-density polyethylene	PE-LLD	Copolymérisation avec des oléfines par catalyse Ziegler-Natta à basse pression (< 10 bar)	Courts
Polyéthylène basse densité	PE-BD	LDPE, low-density polyethylene	PE-LD	Polymérisation radicalaire sous très haute pression	Longs et courts irrégulièrement distribués	0,910 - 0,925
Polyéthylène moyenne densité	PE-MD	MDPE, medium-density polyethylene	PE-MD	Catalyseur Phillips		0,926 - 0,940
Polyéthylène haute densité	PE-HD	HDPE, high-density polyethylene	PE-HD	Catalyse Ziegler-Natta et par catalyse métallocène (mPE-HD)

Le polyéthylène basse densité a été inventé en 1933 par les ingénieurs anglais E.W. Fawcett et R.O. Gibson. Le polyéthylène haute densité a été synthétisé en 1953 par le chimiste allemand Karl Ziegler et son équipe. Le polyéthylène à basse densité linéaire a été inventé pour remplacer le PE-BD en 1979.

Propriétés

Granulés de copolymère LLDPE.

Le polyéthylène est un polymère thermoplastique, translucide, chimiquement inerte (il est plus résistant aux oxydants forts que le polypropylène), facile à manier et résistant au froid.

Les trois principales familles de PE sont le HDPE (PE haute densité), le LDPE (PE basse densité) et le LLDPE (PE à basse densité linéaire).
Le LDPE est plus ramifié que le HDPE, ce qui signifie que les chaînes s'assemblent moins bien entre elles. Les forces intermoléculaires de type van der Waals sont donc plus faibles. Il en résulte un taux de cristallinité moindre, une plus faible densité, une malléabilité et une résistance aux chocs plus élevées. En revanche, le HDPE est plus rigide.

• Le LDPE est obtenu par polymérisation radicalaire vinylique sous très haute pression, et possède une masse molaire de l'ordre de 200 000 à 500 000 g·mol^-1 (mais elle peut être beaucoup plus élevée).
• Les autres PE peuvent être obtenus par une méthode de synthèse plus complexe et plus chère : la polymérisation coordinative par catalyse Ziegler-Natta.

Utilisation

Polyéthylène LDPE et HDPE mis en forme : film et objets moulés (la boîte est en polypropylène, PP).

Le polyéthylène est un polymère de synthèse très employé. Il compose notamment la moitié des emballages plastiques (films à usage alimentaire, agricole, etc.).

L'utilisation la plus visible du polyéthylène sont les sacs plastiques :

• Lorsque le sac se froisse facilement sous la main, avec un bruit craquant, un touché « mécanique », et revient plus ou moins spontanément à sa forme d'origine, il s'agit du HDPE (PE haute densité)
• Lorsque le toucher est plus « gras », que le plastique se froisse sans bruit, se perce facilement avec le doigt, il s'agit du LDPE (PE basse densité).

Les principales applications du HDPE sont des produits rigides : flacons (détergents, cosmétiques, etc.), bouteilles, boîtes type Tupperware, jerricans, réservoirs de carburant d'automobiles, etc.

Les principales applications du LDPE sont des produits souples : sacs, films, sachets, sacs poubelles, ruban adhésif, récipients souples (ketchup, crèmes hydratantes, etc.), etc.

Le polyéthylène réticulé (PER) montre une meilleure tenue thermique que le PE. Pour la fabrication de gaines de câbles électriques, la réticulation se fait en général après extrusion.

Le polyéthylène de masse molaire très élevée, tel le Dyneema, est utilisé pour ses hautes performances (un rapport résistance/masse 40 % supérieur à celui des aramides (Kevlar)). On le trouve dans les équipements sportifs (ski, snowboard, surf, cerfs-volants, etc.), le matériel de protection, notamment balistique (gilets pare-balles) ou moto (tenues à haute résistance à l'abrasion), les implants chirurgicaux, les plaques pour remplacer la glace des patinoires, etc. Son coût est très supérieur à celui des autres polyéthylènes.

Le polyéthylène est également un additif alimentaire (cire de polyéthylène oxydée E914).

Remarque : le poly(téréphtalate d'éthylène) souvent désigné sous son acronyme, PET, n'est pas un polyéthylène mais un polyester saturé utilisé pour la fabrication de fibres textiles, de bouteilles pour boissons, d'emballages, etc.

Commerce

En 2014, la France est nettement importatrice de polyéthylène, d'après les douanes françaises. Le prix moyen à la tonne à l'import était de 1 100 €.

Impact environnemental et biodégradabilité

Le polyéthylène est synthétisé à partir de l'éthylène qui est lui-même majoritairement produit à partir du pétrole ou du gaz naturel, même s'il est possible de l'obtenir à partir de ressources renouvelables. Ce plastique représente un enjeu majeur de gestion des déchets non seulement en raison de son abondance mais aussi parce qu'il est considéré comme très stable et quasiment non-biodégradable, il tend donc à s'accumuler dans l'environnement. Par ailleurs, son incinération est problématique car émettrice de gaz toxiques (furanes, acétaldéhyde, hydrocarbures insaturés, acide acétique ou propanoïque).

Cependant, en laboratoire, il est possible de partiellement biodégrader le PE par l'intermédiaire des bactéries, Enterobacter asburiae YT1 et Bacillus sp. YP1, présentes dans l'intestin de la larve d'une mite alimentaire (Plodia interpunctella) : en incubant des films fins de PE durant 28 jours, des biofilms constitués par ces bactéries viables se sont formés. Ils ont réduit le caractère hydrophobe des films plastiques en les rendant poreux. Des traces de puits et cavités (0,3 à 0,4 μm de profondeur) ont été observées en microscopie électronique à balayage et microscopie à force atomique à la surface de ces films de polyéthylène, et une formation de groupes carbonyle a été vérifiée. Des cultures en suspension des deux souches bactériennes YT1 et YP1 (108 cellules/ml) ont dégradé à hauteur d'environ 6,1 ± 0,3 % et de 10,7 ± 0,2 % des films PE (100 mg), respectivement pour une période d'incubation de 60 jours. Les poids moléculaires des films PE résiduels étaient plus faibles, et 12 sous-produits de dégradation (solubles dans l'eau) ont aussi été détectés. Les auteurs jugent leurs résultats comme prometteurs pour la biodégradation du PE dans l'environnement.

Annexes

Articles connexes

• Sac plastique • Sac poubelle
• Film étirable
• Conservation de la viande
• Melt flow index
• Caisse-outre

Liens externes

• Polyéthylène, University of Southern Mississippi
• Guillaume Latouchent et Jean-Louis Vignes, Polyéthylène, Société chimique de France, août 2005
• Modèle:En+fr Site de l'Association des fabricants de plastique
• Coefficients de perméabilité, coefficients de diffusion et coefficients de solubilité du polyéthylène pour différents perméants