Le carbone en première ligne

Les plastiques peuvent être fabriqués à partir de nombreuses ressources différentes, pourvu qu’elles contiennent du carbone. Depuis plus de 60 ans, on privilégie le carbone fossile des hydrocarbures comme le pétrole. Mais les besoins de la pétrochimie sont infiniment plus faibles que ceux de l’énergie.

Après le carbone végétal…

carverLes chimistes ont d’abord puisé dans la biomasse pour obtenir les premiers polymères artificiels, comme le celluloïd créé, en 1856, à partir de nitrate de cellulose et de camphre.
D’autres végétaux ont été mis ensuite à profit.
Dans les années 20, le biochimiste George Washington Carver, l’un des premiers chercheurs noirs aux États-Unis, est parvenu à fabriquer pour Henry Ford des pièces d’automobiles en plastique dérivé du soja.

Les hydrocarbures s’imposent !

puitsDepuis lors, cependant, on a largement privilégié le carbone fossile des hydrocarbures, moins coûteux et plus facile à transformer, pour produire les plastiques.
puce_green En Europe, c’est le raffinage du pétrole qui permet d’obtenir à moindre coût la plupart des intermédiaires indispensables à leur fabrication : l’éthylène, le propylène, le butadiène, le benzène, l’éthanol, l’acétone…
puce_green Aux Etats-Unis, on utilise plutôt du gaz, en Chine, du charbon.
Néanmoins, depuis quelques années, de grands pays agricoles comme le Brésil remettent à l’honneur l’utilisation de végétaux riches en sucres pour produire, non pas des aliments, mais de l’éthanol destiné à la fabrication de plastique.

Un usage noble des hydrocarbures

La fabrication des matières plastiques repose donc, pour l’essentiel, sur l’extraction d’hydrocarbures à base de carbone fossile comme le charbon et surtout, le pétrole, le gaz naturel.

plateformeCes matières premières minérales contiennent toutes des atomes de carbone (C) et d’hydrogène (H), parfois des atomes d’oxygène (O), de soufre (S), de silicium (Si).
Cependant, compte tenu de l’augmentation du cours de ces ressources fossiles non renouvelables, l’industrie pétrochimique travaille également depuis quelques années sur l’utilisation du carbone issu de ressources végétales, comme la canne à sucre, la biomasse pour fabriquer des plastiques dits « biosourcés ».

Seulement 4% des produits pétroliers
pour les plastiques

L’intérêt stratégique des hydrocarbures est surtout lié à leur utilisation comme source d’énergie mais ils sont aussi indispensables pour l’industrie des matières plastiques.
Cette activité cependant n’utilise qu’environ 4% de tous les produits pétroliers sortant d’une raffinerie.lignes-trans

animation-bouton-histoirePar exemple, 18,7 tonnes de pétrole brut donnent par distillation 3,74 tonnes d’essences ou naphta, la matière première des plastiques dont la majeure partie est cependant destinée à la fabrication de carburants et d’autres produits pétrochimiques : solvants, vernis…lignes-trans

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Première séparation des composants du pétrole

Le raffinage est la première étape de transformation du pétrole selon un procédé qui consiste à séparer certains de ses constituants par distillation fractionnée à partir de leurs points d’ébullition respectifs.
Lorsqu’on chauffe le pétrole, les constituants sont séparés par vaporisation et récupérés par condensation dans la tour de fractionnement. On peut ainsi recueillir successivement :
puce_green des gaz,
puce_green des essences,
puce_green des fiouls légers,
puce_green des fiouls lourds.

Le résidu de la distillation est appelé le bitume (asphalte).

animation-bouton-histoireTous ces distillats se composent d’hydrocarbures qui se distinguent par la taille et la forme des molécules.

Parmi ces hydrocarbures, ce sont les essences légères appelées naphta qui sont utilisées pour la fabrication des matières plastiques.lignes-trans

Obtenir les molécules de base des futurs polymères

vapocraqueurLe naphta est ensuite transformé dans une unité de vapocraquage composée d’une série de fours fonctionnant à très haute température et à basse pression.
Ce procédé thermique réalisé en présence de vapeur d’eau permet de fractionner les molécules longues composant les essences en des molécules différentes de plus faibles tailles (hydrocarbures légers).
On obtient ainsi de nouveaux corps gazeux comme l’éthylène (ou éthène = C2H4), le propylène (ou propène = C3H6), le butylène (ou butène = C4H8) et d’autres hydrocarbures qui sont les grands intermédiaires utilisés par la pétrochimie.

animation-bouton-histoireSelon la qualité du naphta ou du gaz, on obtient des rendements d’éthylène et de propylène plus ou moins élevés. En élevant la température de craquage à 850° C, on peut obtenir un rendement d’éthylène de plus de 30%.

Avec l’éthylène, on obtient par réaction chimique avec d’autres corps, d’autres hydrocarbures comme le styrène ou le chlorure de vinyle qui sont aussi des produits de base pour la fabrication de matières plastiques.lignes-trans

Les matières plastiques en formation

La polymérisation est la principale réaction chimique qui permet la formation de matières plastiques à partir de molécules initiales qui sont des monomères ou des polymères simples déjà élaborés suivant le même processus.
Elle consiste à lier entre elles, par exemple, des molécules d’éthylène, de propylène, de styrène dans certaines conditions de température et de pression et en présence de produits réactifs ou catalyseurs.
Il se forme alors des molécules de très grandes tailles et linéaires comme le polyéthylène, le polypropylène et le polystyrène. On appelle ces macromolécules des polymères.

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Des propriétés variées suivant la forme

Suivant la disposition de ces macromolécules entre elles dans la chaîne de monomères on va obtenir des matières plastiques aux propriétés différentes.
Les propriétés mécaniques des copolymères varient en fonction du type de monomères associés, de leur disposition dans la chaîne et de la solidité des liaisons chimiques.

Les applications des matières plastique

matieres-plas2Chaque année, les industriels de la plasturgie transforment environ 5 millions de tonnes de matières plastiques pour les différents secteurs de l’économie.
puce_green Près de 60% de ces matières plastiques entrent dans la fabrication de produits à durée de vie relativement longue, destinés à des secteurs comme l’électronique, l’automobile, la construction…
puce_green mais plus de 40% servent à fabriquer des emballages, produits à durée de vie relativement courte.
C’est ainsi qu’en 2010, plus de 2 millions de tonnes d’emballages plastiques ont été mis sur le marché dont 47% d’emballages ménagers.