PE - Polyéthylène

Le polyéthylène (PE) est le polymère thermoplastique le plus largement produit au monde, représentant plus de 100 millions de tonnes de production annuelle mondiale. Ce polymère partiellement cristallin et flexible possède des propriétés fortement influencées par les proportions relatives des phases amorphes et cristallines présentes dans sa structure moléculaire.

Le marché mondial du polyéthylène était évalué à environ 121 milliards de dollars en 2024 et devrait croître à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 4,2 % jusqu'en 2030, selon Grand View Research. Cette croissance est portée par la demande croissante dans les secteurs de l'emballage, de la construction et de l'automobile.

Les polyéthylènes sont inertes par rapport à la plupart des produits chimiques courants, en raison de leur nature paraffinique, de leur poids moléculaire élevé et de leur structure partiellement cristalline. À des températures inférieures à 60 °C, ils sont partiellement solubles dans tous les solvants. Le polyéthylène est conforme aux réglementations FDA pour les applications de contact alimentaire et répond aux spécifications ASTM D4976 pour les matériaux de moulage et d'extrusion en plastique polyéthylène.

Dans des conditions normales, les polymères éthyléniques ne sont pas toxiques et peuvent même être utilisés en contact avec des aliments et des produits pharmaceutiques ; cependant, certains additifs peuvent être agressifs. Par le passé, le polyéthylène était classé selon sa densité et le type de procédé utilisé pour sa fabrication. Actuellement, les polyéthylènes sont plus précisément décrits comme des polyéthylènes à chaînes ramifiées et linéaires, tel que défini par la Plastics Industry Association.

Selon les conditions de réaction et le système catalytique utilisé lors de la polymérisation, cinq types différents de polyéthylène peuvent être produits :

• Polyéthylène basse densité (LDPE)
• Polyéthylène haute densité (HDPE)
• Polyéthylène linéaire basse densité (LLDPE)
• Polyéthylène à ultra-haut poids moléculaire (UHMWPE)
• Polyéthylène ultra-basse densité (ULDPE)

LDPE – Polyéthylène basse densité

Le LDPE représente environ 18 % de la production mondiale de polyéthylène, avec un marché évalué à 32 milliards de dollars en 2024 selon ICIS. Le procédé de production du LDPE utilise des pressions comprises entre 1000 et 3000 atmosphères et des températures entre 100 et 300 °C, conformément aux spécifications de la norme ASTM D1248. Les températures supérieures à 300 °C ne sont généralement pas utilisées car le polymère tend à se dégrader. Plusieurs initiateurs (peroxydes organiques) ont été utilisés, mais l'oxygène reste le principal. La réaction est fortement exothermique et l'une des principales difficultés du procédé est donc l'évacuation de l'excès de chaleur du milieu réactionnel. Cette nature fortement exothermique de la réaction à hautes pressions entraîne une grande quantité de ramifications de chaînes, ce qui a une relation importante avec les propriétés des activités du polymère.

Le LDPE possède une combinaison unique de propriétés : ténacité, haute résistance aux chocs, grande flexibilité, non-toxicité, transparence, bonne aptitude à la transformation, stabilité et excellentes propriétés électriques. Ces propriétés font du LDPE le choix privilégié pour les applications d'emballage flexible, qui représentent environ 60 % de la consommation totale mondiale de LDPE.

Bien qu'il soit très résistant à l'eau et à certaines solutions aqueuses à haute température, le LDPE est lentement attaqué par les agents oxydants. La perméabilité à l'eau du LDPE est faible par rapport aux autres polymères. La perméabilité aux composés organiques polaires tels que l'alcool ou l'ester est beaucoup plus faible que pour les composés organiques apolaires tels que l'heptane ou l'éther diéthylique.

Le LDPE peut être transformé par extrusion, soufflage et moulage par injection. Il est utilisé dans les films pour l'emballage industriel et agricole, les films pour l'emballage alimentaire, le laminage, les jouets, les articles ménagers, le revêtement de fils et câbles, les tuyaux et les flexibles.

LLDPE – Polyéthylène linéaire basse densité

Le polyéthylène linéaire basse densité (LLDPE) est un copolymère d'éthylène avec une α-oléfine (propylène, 1-butène, 1-hexène ou 1-octène). Le LLDPE possède une structure moléculaire linéaire avec des ramifications courtes et une distribution étroite du poids moléculaire par rapport au polyéthylène basse densité (LDPE).

Les ramifications à chaîne courte influencent tant le LLDPE que le LDPE, sur la morphologie et certaines propriétés physiques telles que la rigidité, la densité, la dureté et la résistance à la traction.

Les propriétés des films de LLDPE sont attribuées à sa linéarité et sa cristallinité. La structure moléculaire du LLDPE est essentiellement linéaire en raison du type de catalyseur utilisé. Sa cristallinité, bien que bien inférieure à celle du HDPE, est supérieure à celle du LDPE. Cette cristallinité accrue, en plus des chaînes polymériques linéaires, affecte positivement les propriétés mécaniques des films sans entraîner de diminution de leurs caractéristiques optiques. Par rapport au HDPE, le LLDPE présente une résistance à la traction et une dureté inférieures à mesure que le contenu en ramifications augmente, et présente une plus grande résistance aux chocs et au déchirement (films).

Le LLDPE est un thermoplastique à haute capacité de thermoscellage, largement utilisé dans l'emballage de produits de base, remplaçant le LDPE dans plusieurs applications.

Utilisé dans les films pour usage industriel, les couches jetables et les pads absorbants en général, les jouets, les produits pharmaceutiques et hospitaliers, le revêtement de fils et câbles.

L'extrusion de film tubulaire fournit des matériaux pour l'emballage. En mélanges avec le HDPE ou le LDPE, le LLDPE est utilisé dans les sacs industriels, l'emballage alimentaire et les films agricoles. L'extrusion de film à plat fournit des produits pour le film à bulles.

Le LLDPE peut être utilisé pour l'injection de bouchons à usage domestique, de conteneurs, d'articles flexibles et de pièces d'usage général.

HDPE – Polyéthylène haute densité

Le HDPE est le plus grand segment du marché du polyéthylène, représentant environ 52 % de la production mondiale de PE avec plus de 52 millions de tonnes produites annuellement. Le matériau est conforme à la norme ISO 1133 pour les essais d'indice de fluidité et à la norme ASTM D1505 pour les mesures de densité.

La linéarité des chaînes et par conséquent la densité plus élevée du HDPE permettent une orientation, un alignement et un empilement des chaînes plus efficaces ; les forces intermoléculaires (Van der Waals) peuvent agir plus intensément et, en conséquence, la cristallinité est plus élevée que dans le cas du LDPE. La cristallinité étant plus élevée, la fusion peut se produire à une température plus élevée.

En raison de la cristallinité et de la différence d'indice de réfraction entre les phases amorphes et cristallines, les films de HDPE (obtenus par procédé Ziegler-Natta ou Phillips) sont minces et translucides, moins transparents que le LDPE (obtenu par radicaux libres), et moins cristallins.

Tandis que les propriétés électriques sont peu affectées par la densité et le poids moléculaire du polymère, les propriétés mécaniques subissent une forte influence du poids moléculaire, du contenu en ramifications, de la structure morphologique et de l'orientation.

L'orientation des chaînes polymériques exerce un effet important sur les propriétés mécaniques du polymère. Les matériaux fabriqués avec du HDPE fortement orienté sont environ dix fois plus résistants que ceux fabriqués à partir de polymère non orienté, car l'orientation augmente l'empilement des chaînes et par conséquent accroît la rigidité du polymère.

En général, le HDPE présente une faible réactivité chimique.

À température ambiante, le HDPE n'est soluble dans aucun solvant, bien que de nombreux solvants comme le xylène, par exemple, provoquent un effet de gonflement. À haute température, certains hydrocarbures aliphatiques et aromatiques dissolvent le HDPE. Le HDPE est relativement résistant à la chaleur.

Le HDPE est applicable dans différents segments de l'industrie de transformation des plastiques, couvrant les procédés de soufflage, d'extrusion et de moulage par injection.

Injection

Par le procédé d'injection, le HDPE est utilisé pour la fabrication de seaux, plateaux, baignoires, jouets, conteneurs alimentaires, sièges de toilettes, plateaux, couvercles et bouteilles, caisses, réservoirs d'eau, entre autres.

Soufflage

Pour le procédé de soufflage, les résines HDPE offrent une excellente combinaison de rigidité et de résistance à la fissuration sous contrainte environnementale, ce qui en fait les matériaux de choix pour plusieurs applications dans les conteneurs industriels, les articles ménagers, les bouteilles, les fûts, etc.

Extrusion

Pour l'extrusion, le HDPE est recommandé pour l'isolation de fils et câbles, les sacs de congélation, le revêtement de tuyaux métalliques, les tuyaux pour l'assainissement et la distribution de gaz, les eaux usées, les sacs poubelles, les sacs d'épicerie, etc.

Certaines industries brésiliennes explorent déjà un nouveau marché en développant un grade spécifique de HDPE pour le soufflage de réservoirs de carburant.

Le HDPE et le LDPE ont de nombreuses applications communes, mais en général, le HDPE est plus dur et résistant tandis que le LDPE est plus flexible et transparent. Un exemple de la relation entre dureté et flexibilité est le fait que le HDPE est utilisé pour fabriquer des bouchons filetés (rigides) et le LDPE des bouchons sans filetage (flexibles).

UHMWPE – Polyéthylène à ultra-haut poids moléculaire

Le procédé de polymérisation du UHMWPE utilise un catalyseur Ziegler-Natta similaire à celui utilisé pour le HDPE conventionnel.

Le UHMWPE est similaire au HDPE (de 0,93 à 0,94 g/cm³), blanc opaque, avec une température de transition vitreuse (Tg) de -100 °C à -125 °C et une température de fusion (Tm) de 135 °C, et une cristallinité d'environ 45 %.

La longue chaîne moléculaire, la haute densité et l'absence de ramifications dans sa structure confèrent au UHMWPE des propriétés telles qu'une résistance à l'abrasion supérieure à celle des autres thermoplastiques, une bonne résistance à la corrosion, une haute résistance à la fatigue cyclique, une haute résistance aux chocs, une haute résistance à la fissuration sous contrainte, une haute résistance chimique, une haute dureté et un faible coefficient de friction.

Les caractéristiques de résistance à l'abrasion, aux chocs et aux produits chimiques, l'autolubrification, le faible coefficient de friction, l'absorption du bruit et les autres propriétés mentionnées, rendent le UHMWPE particulièrement adapté à une utilisation dans des applications diverses :

• Exploitation minière : revêtements, mélangeurs, racleurs, roulements et tuyaux
• Industrie chimique : tuyaux, pompes, vannes, filtres, joints, mélangeurs, revêtements de réservoirs métalliques et en béton
• Industrie des boissons et de l'alimentation : emballage automatique, convoyeurs, rouleaux, buses de remplissage, pompes
• Pâte à papier et papeterie : couvercles et profilés de caissons d'aspiration
• Industrie textile : guides, roulements et réducteurs de bruit
• Autres applications : convoyeurs industriels, articles de sport, articles chirurgicaux et orthopédiques

ULDPE – Polyéthylène ultra-basse densité

Il s'agit d'un polyéthylène d'une densité d'environ 0,865 g/cm³ qui offre une plus grande résistance, une plus grande flexibilité et de meilleures propriétés optiques par rapport au LLDPE.

L'utilisation principale du ULDPE est en tant que résine modificatrice, en particulier pour le polyéthylène haute densité (HDPE), le polyéthylène basse densité (LDPE) et le polypropylène (PP). L'ajout de ULDPE aux polyéthylènes et au PP améliore la résistance aux chocs, la flexibilité et la résistance au déchirement de ces polymères.

Ces résines sont idéales pour la production de films pour l'emballage de liquides, car en plus de prévenir les fuites et les déversements, l'emballage présente une haute résistance au déchirement. La transformation en films coulés se fait par soufflage ou extrusion.