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C
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1
H
Hydrogène
Produit organique

Le polystyrène est obtenu par polymérisation du styrène. Par copolymérisation avec le butadiène ou l’acrylonitrile, il participe à la formation d’élastomères. Il est présent sous forme « choc » et « cristal » mais aussi sous forme expansée. Il est employé dans de nombreux objets de la vie quotidienne et pour le polystyrène expansé dans les emballages et l’isolation thermique des bâtiments.

Données industrielles

Formule

Les copolymères styréniques : styrène-butadiène (SBR), styrène-acrylonitrile (SAN), acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS), acrylonitrile-styrène-acrylate (ASA)… sont traités au chapitre caoutchoucs, élastomères et résines styréniques.

Historique

La découverte du polystyrène remonte à 1839, mais son exploitation à grande échelle, en Allemagne et aux États-Unis, date des années 30, la première fabrication industrielle ayant eu lieu en 1933. Le premier procédé utilisé (suspension aqueuse) fonctionnait en « discontinu ». Dès les années 40 apparaissent des procédés de polymérisation « en masse », continus ou discontinus. Le procédé « masse continu » triomphe dans les années 60, grâce notamment aux progrès technologiques permettant d’évacuer la chaleur produite par la polymérisation (environ 710 kJ/kg).

Le polystyrène expansé a été inventé en 1944 par Ray Mc Intire (1919-1996) alors qu’il travaillait pour Dow Chemical sur les caoutchoucs flexibles. Cette découverte fût le fruit du hasard : l’idée de départ était de copolymériser du styrène et de l’isobutène sous pression. Le styrène fut le seul à polymériser et l’isobutène se vaporisa, s’immisçant dans la matrice du polymère. Commercialisé sous le nom de Styrofoam, ce matériau rigide de faible densité a d’abord été utilisé comme isolant thermique pour le bâtiment.

Fabrication industrielle

On distingue trois types de polystyrènes : le polystyrène « cristal » (PS, non cristallin mais portant ce nom à cause de son aspect transparent), le polystyrène « choc » et le polystyrène expansé (PSE). Sans aucun ajout, le polystyrène est solide à 20°C et pâteux à 120°C, la fusion s’opérant entre 150°C et 170°C. Le polystyrène est généralement inflammable et combustible, la dégradation commençant dès 350°C et l’auto-inflammation vers 490°C. D’une densité réelle de 1,03 à 1,05, le polystyrène est soluble dans les hydrocarbures chlorés et aromatiques.

Élaboration du polystyrène « cristal » (GPPS en anglais) :
Le procédé, mettant en œuvre une suspension aqueuse, est encore utilisé pour obtenir des masses molaires élevées : en milieu aqueux inerté au diazote, en présence de plastifiant (fluidifiant, par exemple : huile minérale) et de catalyseur peroxydique (peroxyde de benzoyle et hydroperoxyde de tertiobutyle), le monomère, structuré sous forme de gouttelettes dans la suspension grâce à l’action d’un surfactant (polyalcool vinylique et phosphate tricalcique), polymérise sous forme de perles. A la fin, la polymérisation, en plusieurs étapes de 95°C à 120°C, atteint 99,95 %.

Le procédé masse continu consiste à effectuer la polymérisation – en plus du catalyseur et du plastifiant – en présence d’un diluant, l’éthylbenzène (0 à 15 % en masse, recyclé en fin de polymérisation), qui diminue la viscosité du milieu réactionnel et autorise un meilleur contrôle des températures (de 80°C à 170°C).

Le polystyrène est livré sous forme de billes de 0,2 à 0,3 mm de diamètre.

Élaboration du  polystyrène « choc » (HIPS en anglais) :
Il est obtenu en ajoutant au milieu réactionnel de 2 % à 10 % de polybutadiène. Il possède une très bonne résistance aux chocs, mais il est non transparent. En présence de quantités plus importantes de butadiène, on obtient des copolymères styrène-butadiède (SBR), traités au chapitre caoutchoucs, élastomères et résines styréniques.

Élaboration du polystyrène expansé (PSE) : il est constitué à 98 % d’air.
Il existe deux types de PSE : les polystyrènes expansés moulés (PSE-M) et les polystyrènes expansés extrudés (PSE-E).

Le PSE-M est obtenu à partir d’un polystyrène « expansible » qui n’est rien d’autre qu’un polystyrène cristal auquel on a ajouté, en cours de polymérisation, un agent d’expansion, le pentane (C5H12), dont la température d’ébullition, à la pression atmosphérique, est de 35°C. Une pré-expansion est opérée à la vapeur d’eau puis une période de stabilisation permet aux perles de PS pré-expansées de perdre leur excédent d’eau. Enfin, dans un moule, on les expanse et on les moule à la vapeur.

Le PSE-E est quant à lui obtenu lors de l’extrusion par injection sous pression d’un gaz (les HCFC ont été remplacés par le pentane) dans le polymère cristal fondu.

La présence au sein du polystyrène expansé de particules de graphite qui donne un produit gris permet d’accroitre de 20 % le pouvoir d’isolation du matériau.

L’utilisation des catalyseurs métallocènes a par ailleurs permis l’élaboration d’un PS syndiotactique permettant des applications techniques. Le SPS, plastique technique, est doté d’une résistance thermique accrue (point de fusion de 270°C) et d’une résistance chimique élevée. Il trouve des applications dans l’électronique, les équipements électriques et l’automobile. Par exemple le groupe Idemitsu, possède au Japon à Chiba, une capacité de production de 9 000 t/an.

Productions

La capacité mondiale de production est, en 2016, de 23,7 millions de t/an dont 14,7 millions de t/an pour le polystyrène compact et 9 millions de t/an pour le polystyrène expansé. Pour le polystyrène, les capacités de production sont situées à 55,1 % en Asie, à 17,0 % en Amérique du Nord, à 16,3 % en Europe, à 4,1 % en Amérique du Sud, à 2,7 % au Moyen Orient, à 1,4 % en Afrique.

Productions, en 2017.

en milliers de t
Polystyrène compact Polystyrène expansé
Union européenne 2 567 1 565
États-Unis et *Canada **Canada et Mexique 1 962 ** 497*
Taïwan 748
Japon 656 117
Corée du Sud 580 455
France 578, en 2015 152
Allemagne 224, en 2013 516

Sources : American Chemistry Council, The Japan Plastics Industry Federation, APIC country reports et Eurostat

Principaux producteurs

Polystyrène compact, en 2017 :

en milliers de tonnes de capacités de production annuelles
Ineos Styrolution (Allemagne) 1 980 Sinopec (Chine) 650
Total (France) 1 745 Formosa Plastics (Taïwan) 520
Trinseo (États-Unis) 1 580 PS Japan (Japon) 500
AmSty (États-Unis) 800 Versalis (ENI, Italie) 500
Chi Mei (Taïwan) 700 LG Chem (Corée du Sud) 300

Sources : Rapports des sociétés

  • BASF et Ineos ont regroupé, en octobre 2011, leurs activités dans le polystyrène « cristal » et « choc », hors polystyrène expansé, dans une joint venture, Styrolution. En novembre 2014, Ineos a acquis la part de BASF et Styrolution est devenu Ineos Styrolution, en janvier 2016. Possède des usines de fabrication de polystyrène à Anvers, en Belgique avec 475 000 t/an, Wingles, en France avec 180 000 t/an, Ulsan, en Corée du Sud avec 250 000 t/an, Dahej, en Inde avec 78 000 t/an, Altamira, au Mexique avec 175 000 t/an, aux États-Unis, à Channahan avec 399 000 t/an et Decatur avec 193 000 t/an et en Chine, acquises, en 2018, auprès de Total, à Foshan (Guangdong) avec 200 000 t/an et Ningbo (Zhejiang) avec 200 000 t/an.
  • Total, possède des capacités de production de 637 000 t/an en Europe avec des usines à Feluy (160 000 t/an), en Belgique, Gonfreville (160 000 t/an) et Carling (255 000 t/an), en France, El Prat (70 000 t/an), en Espagne, de 700 000 t/an aux États-Unis, à Carville, en Louisiane et en Chine, à Foshan (Guangdong) avec 200 000 t/an et Ningbo (Zhejiang) avec 200 000 t/an. En 2018, les unités de production chinoises ont été cédée à Styrolution.
  • Trinseo (ex Styron), société issue de Dow Chemical, produit du polystyrène « cristal » et « choc » aux États-Unis à Midland, dans le Michigan, en Allemagne à Schkopau avec 160 000 t/an, en Belgique à Tessenderlo, aux Pays Bas à Terneuzen, en Indonésie à Merak, à Hong Kong à Tsing Yi et, depuis mi-2017, en Chine à Zhanyjiagang, ainsi qu’au travers de 50 % d’Americas Styrenics. En prenant en compte la part de Trinseo dans Americas Styrenics, les capacités de production de Trinseo sont de 1,580 million de t/an.
  • AmSty est une joint venture entre Trinseo et Chevron Phillips. Les unités de production sont situées, aux États-Unis, à Allyn’s Point, dans le Connecticut, avec 73 000 t/an, Hanging Rock, avec 85  000 t/an et Marietta, avec 360 000 t/an, dans l’Ohio, Joliet, dans l’Illinois, avec 125 000 t/an et Torrance, en Californie, avec 115 000 t/an ainsi qu’en Colombie, à Cartagena.

Polystyrène expansé moulé, en 2017 :

en milliers de t de capacités annuelles de production
Loyal Group (Chine) 1 980 Taita Chemical (Taïwan) 280
Wuxi Xingda Group (Chine) 1 350 Jiangyin Nijiaxiang (Chine) 240
BASF (Allemagne) 540 Ming Dih Group (Taïwan) 160
Synthos (Pologne) 520

Sources : Sites des sociétés

  • Les usines de Loyal Group, en Chine, sont situées à Dongguan avec 450 000 t/an, Jiangyin avec 450 000 t/an, Tianjin avec 390 000 t/an, Ningbo avec 280 000 t/an, Karamay avec 120 000 t/an, Panjin avec 160 000 t/an et Kaohsiung avec 130 000 t/an.
  • BASF produit du polystyrène expansé à Ludwigshafen (Allemagne), Anvers (Belgique), Ulsan (Corée du Sud) et Nanjing (Chine).
  • Synthos, groupe polonais, a acquis, en août 2016, les activités de Ineos dans le polystyrène expansé, c’est-à-dire les usines en France de Wingles (62) et Ribécourt (60) et aux Pays Bas, l’usine de Breda avec une capacité totale de production de 310 000 t/an. Par ailleurs produit de PSE en Pologne à Dwory avec 105 000 t/an et en République tchèque à Kralupy avec 105 000 t/an.

Polystyrène expansé extrudé : le principal producteur est Dow Chemical, suivi par Owens Corning et BASF.

Recyclage

Logo de recyclage :

Les déchets de polystyrène expansé représentent 5,8 millions de t/an dont 1,8 million de t/an, en Chine. Dans les pays européens nordiques, le taux de recyclage est de 72 %. En Chine, il est de 30 %.
Avant recyclage, les emballages en PSE sont compactés afin de diminuer leur volume.
En 2012, aux États-Unis, 42 500 t de PSE ont été recyclées dont 16 700 t proviennent de produits consommés et 25 800 t de chutes de fabrication.
En France, en 2011, le recyclage des emballages en PSE a porté sur 13 000 t soit un taux de recyclage de 32,5 %.

En 2018, Total s’est associé à Saint Gobain pour recycler le polystyrène expansé d’isolation et au Syndifrais (Syndicat National des Fabricants de Produits Laitiers Frais) et à Citeo (ex Eco-emballages) pour recycler les emballages de produits laitiers (yaourts…) en polystyrène choc. La production prévue, en 2019, est de 4 000 t de polystyrène renfermant 20 % de produit recyclé. Le recyclage a lieu à Feluy, en Belgique et à Carling (57), en France.

Situation française

En 2017.

Production :

  • PS, en 2015 : 577 670 t.
  • PSE, en 2017 : 151 729 t.

Exportations :

  • PS : 290 368 t vers l’Allemagne à 26 %, l’Italie à 16 %, la Belgique à 9 %, le Royaume Uni à 8 %.
  • PSE : 122 760 t vers l’Italie à 20 %, l’Allemagne à 15 %, la Turquie à 14 %, le Royaume Uni à 14 %, la Pologne à 9 %.

Importations :

  • PS : 102 040 t de Belgique à 33 %, d’Italie à 17 %, d’Espagne à 12 %, d’Allemagne à 11 %, des Pays Bas à 11 %.
  • PSE : 109 693 t de Belgique à 38 %, d’Allemagne à 31 %, des Pays Bas à 11 %, d’Autriche à 6 %.

Producteurs :

  • Total exploite des usines à Gonfreville (76) avec 160 000 t/an et Carling (57) avec 255 000 t/an. Le styrène utilisé à Carling provient, par train, de l’usine de Gonfreville.
  • Ineos Styrolution possède une usine de fabrication de polystyrène à Wingles (62), avec une capacité de production de 180 000 t/an. Le styrène est acheminé par canaux. En 2020, l’une des 3 lignes de production de polystyrène devrait être convertie en fabrication d’ABS, avec 50 000 t/an.
  • Synthos produit du polystyrène expansé, à Wingles (62) et Ribecourt (60) avec 90 000 t/an dans chaque unité de production.
  • Dow Chemical produit du polystyrène expansé extrudé à Drusenheim (67).

Utilisations

Dans l’Union européenne, plus la Norvège et la Suisse, en 2017, le polystyrène et le polystyrène expansé représentent 6,6 % de la consommation de matières plastiques, avec 1,9 million de t pour le polystyrène compact et 1,5 million de t pour le polystyrène expansé.

Consommation

En 2014, la consommation mondiale de polystyrène (tous types confondus) était de 17,4 millions de tonnes, dont, en 2016, 6,62 millions de t de polyéthylène expansé, avec la répartition suivante :

Polystyrène expansé
Chine, en 2014 57 %
Allemagne 7,3 %
Corée du Sud 5,4 %
États-Unis 4,1 %
Taïwan 3,2 %
Russie 2,5 %

Source : Merchant Research Consulting

En France, en 2011, la consommation d’emballages en PSE a été de 40 000 t, dont 19 000 t d’emballages ménagers et 21 000 t d’emballages industriels.

Répartition des utilisations par secteur

Polystyrène, en 2010 :

Monde Europe Amérique du Nord Asie
Emballages 38 %, en 2017 48 % 61 %, en 2014 18 %
Applications électriques 15 % 21 % 49 %
Construction 7,7 %

Sources : IHS, Nexant

Polystyrène expansé, en 2017, dans le monde :

Construction 59 %
Emballages 35 %

Sources : IHS

Le polystyrène compact est employé pour la fabrication de nombreux objets du quotidien : vaisselle jetable, emballages alimentaires, jouets (briques de LEGO), meubles de jardin, réfrigérateurs, aspirateurs, équipements de salles de bain…

Le polystyrène expansé est employé pour la protection de nombreux appareillages : réfrigérateurs, écrans de télévision, ordinateurs… Il est également employé dans des emballages et récipients alimentaires. Bon isolant thermique, il est utilisé dans l’isolation thermique des bâtiments mais aussi pour élaborer des tasses à café jetables, avec une consommation, aux États-Unis, de 25 milliards d’unités par an.

Bibliographie

 

Matières plastiques

Les matières plastiques sont des matériaux obtenus par polymérisation de composés (éthylène, propylène, styrène...) issus principalement du vapocraquage d'hydrocarbures eux-même provenant de la distillation du pétrole. Il en existe de très nombreux types qui se présentent sous des formes variées. Leur production a connu un développement considérable à partir de la deuxième partie du XXème siècle.

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