Polystyrène

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Polystyrène
Identification
Nom IUPAC	poly(1-phényléthylène)
No CAS	9003-70-7
Propriétés chimiques
Formule brute	C8H8  [Isomères]
Masse molaire	104,1491 ± 0,007 g/mol C 92,26 %, H 7,74 %,
Propriétés physiques
T° transition vitreuse	95 °C
Paramètre de solubilité δ	18,72 MPa1/2 (35 °C)
Masse volumique	1,06 g·cm-3
Propriétés électroniques
Constante diélectrique	2,6 (1 kHz, 25 °C) 2,6 (1 MHz, 25 °C) 2,6 (1 GHz, 25 °C)
Propriétés optiques
Indice de réfraction	$n^{ 20 }_{ }$ 1,57–1,60
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le polystyrène (sigle PS) est le polymère de formule -(CH₂-CH(Ph))_n-, obtenu par polymérisation du monomère styrène CH₂=CH-Ph.

Caractéristiques

Il peut se présenter sous différentes formes :

• « cristal » ;
• « choc », de sigles HIPS (HI pour High Impact) ou PS-HI selon la norme EN ISO 1043-1 ;
• expansé, de sigles PSE, EPS (E pour Expandable) ou PS-E selon la même norme.

Le polystyrène de base, appelé PS « cristal » pour son aspect transparent, est une matière dure et cassante, pouvant être colorée. Ses propriétés mécaniques et thermiques peuvent être modifiées par l'ajout de plastifiants ou de butadiène (monomère du polybutadiène) pour en faire un polystyrène dit « choc ». C'est un matériau très facile à transformer, par injection ou extrusion par exemple.

D'une manière pratique, on le reconnaît à son côté cassant avec un blanchissement sur les zones de contraintes. La façon la plus simple de reconnaître un plastique est de le brûler pour observer la flamme, la fumée, et en sentir l'odeur ; ce qu'il vaut mieux éviter étant donné la toxicité des gaz lors de la combustion de certains plastiques. Le polystyrène est facilement reconnaissable à sa fumée noire et à son odeur caractéristique. On peut également le distinguer au bruit métallique qu'il produit en subissant un choc, par exemple en tombant sur une surface dure.

Le polystyrène, outre son côté cassant, souffre aussi d'une faible résistance chimique et d'une faible résistance à la fissuration sous contrainte (ESCR). L'acétone le dissout très facilement, les corps gras le fragilisent rapidement.

Le polystyrène est le plus commun de la famille des polymères styréniques. Cette famille contient les différents copolymères du styrène : styrène-butadiène (SBR), styrène-acrylonitrile (SAN), acrylonitrile butadiène styrène (ABS), acrylonitrile styrène acrylate (ASA), etc.

Les copolymères du type styrène-butadiène (SBC) permettent d'augmenter la résistance au choc en gardant la transparence. La teneur en butadiène est plus élevée que dans un PS choc et le mode de polymérisation est différent. Ces copolymères sont utilisés soit seuls, soit en mélange avec le polystyrène cristal. Ces mélanges PS cristal et SBC sont communs en extrusion.

Le polystyrène cristal est toutefois extrudé seul dans des unités d'orientation pour former des feuilles d'OPS ou BOPS ((biaxially) oriented polystyrene, polystyrène (bi)orienté). Cette orientation se fait avec des grades de PS cristal à haut poids moléculaire, dans des unités d'orientation en sens machine puis sens transverse ; elle confère une meilleure tenue mécanique à la feuille ainsi obtenue.

Le polystyrène n'est pas biodégradable mais il se recycle facilement par dissolution/reprécipitation. Son code d'identification est le n^o 6.

Selon sa tacticité, le polystyrène peut être :

	Atactique	Syndiotactique	Isotactique
Cristallinité	Amorphe	Cristallinité moyenne	Cristallinité élevée
Point de fusion	Pas de point de fusion	270 °C	240 °C
Produit commercial	Oui	Peu	Non
Première fabrication		1985 : N. Ishihara (Idemitsu Kosan)	1955 : Giulio Natta
Méthode de fabrication		Polymérisation coordinative par catalyse avec un métallocène	Polymérisation coordinative Ziegler-Natta

Synthèse

Le polystyrène est issu de la pétrochimie. Il est obtenu par polymérisation du styrène ; la réaction se produit dans un autoclave.

Le polystyrène expansé (PSE) est obtenu par mélange d'un gaz et de PS cristal. Avant les préoccupations pour la couche d'ozone, on utilisait le fréon, un gaz CFC (chlorofluorocarboné), remplacé depuis les années 1990 par du butane ou du pentane. Des transformateurs introduisent les perles de PS cristal dans des pré-expanseurs. Sous l’action de la température et de la pression de vapeur d’eau, le gaz d’expansion les fait gonfler jusqu’à 50 fois leur volume initial. Les perles, expansées et stabilisées, sont ensuite introduites dans des moules en forme de blocs pour une découpe ultérieure en panneaux ou directement à la forme de la pièce finie. Là, à nouveau sous l’effet de la température et de la pression de vapeur d'eau, les perles expansées s'agglomèrent en une pièce moulée.

Le mélange sous forme de plaques ou feuilles peut être directement extrudé pour faire des isolants de plus haute densité. On parle de polystyrène extrudé (XPS). Ces plaques ou feuilles peuvent être thermoformées.

Le PS peut également être façonné par injection (fusion à haute température) et des pièces moulées comme des gobelets transparents ou des boîtiers de DVD sont obtenues. On parle alors de PS injecté.

Utilisations

Le polystyrène expansé utilisé comme matériau d'emballage.

L'application la plus connue du grand public est le polystyrène expansé (parfois appelé « frigolite »), mousse blanche compacte qui sert à emballer les appareils sensibles aux chocs (électroménager, chaîne Hi-Fi, …).

Les propriétés de ces plastiques industriels sont utilisées dans de nombreux domaines :

• Résistance aux chocs :
  • Articles de décoration ou matériel de bureau en PS cristal injecté : double-décimètres, équerres et rapporteurs d'écolier.
  • Logistique - Calages en PSE : transport de produits fragiles (électroménager, lave-linge, ordinateur, sèche-linge, réfrigérateur, four, etc.)
  • Maquettisme (maquette) : pièces moulées de PSE à peindre, carte plastique en PS choc. Le côté cassant de ce type de polystyrène est souvent très atténué pour permettre un maximum de manipulation.
  • Maison de disques - PS cristal : boîtiers de CD.

Caisses-marée au pavillon des produits de la mer du marché international de Rungis.

• Isolant thermique :
  • Bâtiment/constructions - Panneaux et blocs en PSE : cloisons isolantes - plancher (isolation sous dalle, isolation sous chape, entrevous) - toitures - coffrages (ils permettent d'ériger des murs en béton armé isolés en une seule opération).
  • Froid - Parois en PSE : camions frigorifiques, glacières chambres frigorifiques.
• Résistance à la compression :
  • Emballage en PSE : barquettes alimentaires de produits frais, caisses marées et cales.
  • Travaux publics et génie civil - Blocs en PSE : remblayage de routes et autoroutes - Talus - Murs anti-bruit - Culées de ponts - Protection de conduits enterrés - Pontons.
• Imperméabilité / Nettoyabilité :
  • Alimentaire - Emballage (pots de yaourt, crème fraiche, …) et vaisselle à usage unique (gobelets, couverts) en PS choc blanc thermoformé - Vaisselle à usage unique en PS cristal injecté (gobelets, verrines, …).
  • Hématologie - Matériel en PS cristal (plaque de laboratoire, flacon)
• Densité - Très faible absorption d'eau :
  • Ouvrages flottants sur blocs en PSE : pontons - jardins - maisons (Pays-Bas)
  • Nautisme - Flotteurs en PSE (balises, ligne d'eau).
  • Logistique - Réduire le poids des emballages (feuille allégée en XPS)
  • De 16 à 1 060 kg·m^-3, écart dû à l'addition de divers matériaux comme le béton armé
• Propriété électrostatique :
  • Médecine - traitement des hyperkaliémies par résine échangeuse de cations en polystyrène de sodium ou Kayexalate.
• Utilisations militaires :
  • Le polystyrène est un des composants du napalm moderne (« napalm-B »), où il sert de gélifiant.
  • Il entre également dans la constitution de la bombe à hydrogène : il maintient en suspension les éléments de la bombe avant son utilisation, et se transforme en plasma au moment de la mise à feu.

Dénominations commerciales

Selon les utilisations, la forme et la manière d'obtenir du polystyrène, on trouve plusieurs désignations :

• Polycrete Big Block 1600 (coffrage isolant permanent) ;
• Quad-Lock (coffrage isolant de PSE certifié ISO 14001 et ISO 9001, généralement de couleur verte) ;
• Knauf Therm (panneaux isolants de PSE), Styrodur (polystyrène extrudé ou XPS pour isolation, généralement de couleur verte) ;
• Polyfoam (XPS pour isolation, généralement de couleur orange) ;
• Ursaa (généralement de couleur jaune) ;
• Roofmate et Styrofoam (de la société Dow Chemical) (pour l'isolation, généralement de couleur bleue) ;
• Depron (PSE pour l'isolation) ;
• Sagex ;
• Mabebloc, bloc de coffrage isolant fabriqué au Maroc.

Écologie

Un exemple de la pollution des côtes du Japon par les plastiques. Notez l'énorme bloc de polystyrène expansé. Crédit : Katsuhiko Saido.

À l'échelle individuelle des consommateurs, ce déchet n'entre pas dans la liste des matériaux collectables lors du tri sélectif en raison de son caractère diffus (environ 300 g/an par habitant et son élimination est réalisée par incinération. Les déchets de PSE permettent de diminuer la quantité de combustible nécessaire à la combustion des ordures ménagères et peut également servir de combustible dans les centrales thermiques.

En revanche, des fabricants d’emballages PSE se sont regroupés au sein d'ECO-PSE depuis plus de 15 ans afin, notamment, d'organiser et de développer des filières pérennes de valorisation et de recyclage des emballages professionnels. En 2010, en France, plus de 12 000 tonnes d’emballages PSE ont été recyclées, pour une consommation nationale évaluée à 40 200 tonnes, soit un taux de recyclage proche de 30 %. 85 % du PSE collecté est recyclé, après compactage et extrusion, en granulés de polystyrène qui serviront à la fabrication de produits manufacturés en PS (cintres, boitiers de CD, …). Les 15 % restant permettent de recycler le PSE sous sa forme expansée (emballages, blocs et plaques PSE, allègement PSE sols et bétons). À noter que 4 % du gisement retrouvera une seconde utilisation en tant qu’emballage.

Chez les transformateurs de PSE, toutes les chutes de polystyrène expansé sont récupérées et réintroduites, telles quelles, dans le cycle de fabrication du polystyrène expansé. Par ailleurs, propres, dépoussiérés et broyés, les déchets issus des filières de récupération sont mélangés à hauteur de 5 à 30 % avec des billes neuves de polystyrène expansé et permettent d'obtenir de nouveaux produits destinés au bâtiment ou à l'emballage (hors alimentaire).

Lorsque la taille des gisements de polystyrène expansé usagé est faible ou lorsque les déchets de polystyrène expansé sont souillés, il n’y a pas de filière de valorisation viable économiquement. Le polystyrène expansé, classé déchet non dangereux^{[réf. nécessaire]}, est déposé en centre d'enfouissement technique de classe 2. Cette alternative offre l’avantage d’aérer et de stabiliser le sol de ces installations.

Le principal problème de la dissémination de polystyrène expansé dans l'environnement est qu'il a été mis en cause dans la mort d'animaux marins (tortues, oiseaux, …) en ayant ingéré par méprise avec des proies. Il n'est pas directement chimiquement toxique mais il obstrue leur tube digestif et provoque leur mort.

L'ensemble des impacts environnementaux des isolants en polystyrène expansé, utilisés dans la construction, se trouve dans les Fiches de Déclarations Environnementales et Sanitaires (FDES), disponibles sur la base INIES. Il faut alors veiller à considérer l'ensemble des composants du système (ossatures, colles, …), tout en sachant que la résistance thermique constitue la caractéristique primordiale d'un isolant.

Effet sur la couche d'ozone

Le polystyrène expansé dégage du pentane contribuant à l'effet de serre (formation d'ozone photochimique) : 0,000519 kg équivalent éthylène /UF par an.

Risque sur la santé

• Dégagement de styrène à la chaleur. D'après l'Agence internationale de recherche sur le cancer, le styrène pourrait être cancérogène pour l'homme. Plusieurs études effectuées sur une population de salariés exposés au styrène ont mis en évidence un risque de leucémie. Des études sur des animaux ont montré que le styrène est faiblement cancérogène par inhalation ou ingestion.
• Champs électrostatiques.

Voir aussi

Filmographie

• Alain Resnais a réalisé en 1958 un court métrage, Le Chant du styrène. En quatorze minutes, nous remontons de l'objet (un bol) jusqu'au polystyrène et au styrène qui le compose. Le texte en alexandrins a été écrit par Raymond Queneau. Le récitant est Pierre Dux. L'orchestre est dirigé par Georges Delerue. Ce court métrage répond à une commande de la société Péchiney.

Chanson

• Dans sa chanson intitulée Rockin' in the Free World (en), Neil Young dénonce sur un ton ironique les effets du polystyrène sur la couche d'ozone ; « [...]Got Styrofoam boxes for the ozone layer[...] » (nous avons des boîtes en polystyrène pour la couche d'ozone).

Bibliographie

• J.-P. Oliva, L'isolation écologique, éd. Terre Vivante
• Bruno Burger, Claude Dumas, Valérie Michel, Polystyrène expansé et développement durable ?, Eyrolles, 2008

Articles connexes

• Acrystal
• Polystyrène choc (SB)

Liens externes

• Visualisation du procédé de constitution du polystyrène à partir du pétrole
• (en) Polystyrene Packaging Council Homepage
• ISBA : Institut Supérieur du Bâtiment et des Travaux Publics
• AFIPEB (Association Française de l'Isolation en Polystyrène Expansé dans le Bâtiment
• ECO-PSE