Le polyéthylène (sigle générique PE)Nom et abréviation selon la norme EN ISO 1043-1, Plastiques - Symboles et termes abrégés - : polymères de base et leurs caractéristiques spéciales, 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 ) et son point de fusion peut selon les grades atteindre , mais sa résistance mécanique fléchit nettement dès . 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 (PE-BD) et à haute densité (PE-HD), et des copolymères (PE-BDL, plastomères, par exemple).
Sa combustion dégage différents gaz (plus de 200, potentiellement), dont certains sont toxiques : furanes, acétaldéhyde, hydrocarbures insaturés ou aromatiques (benzène), acide acétique ou propanoïque., mais aussi monoxyde d'azote, monoxyde de carbone et CO2, considérés comme des polluants atmosphériques.
Production vignette|gauche|400px Son nom vient du fait qu'il est obtenu par polymérisation des monomères d'éthylène (CH=CH) en une structure complexe de formule générique .
Le polyéthylène est la seule polyoléfine qui puisse être préparée par voie radicalaire.
Le polyéthylène est surtout issu de la pétrochimie. En , 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, ), polyéthylène à masse molaire élevée (HMWPE, ), PE-UHPM, polyéthylène de masse molaire très élevée (UHMWPE, ou PE-UHMW selon la norme EN ISO 1043-1) ; réticulés : les polyéthylènes réticulés (PE-R, dits aussi PEX ou XLPE, pour ) sont presque tous faits à partir de polyéthylène à haute densité (HDPE), on les désigne alors : PE-RHD, polyéthylène réticulé à haute densité (HDXLPE, ).
Nom Sigle en français Sigle en anglais Abréviation selon la norme EN ISO 1043-1 SynthèseMarc Carrega, « Aide-mémoire - Matières plastiques », , Dunod/L'Usine nouvelle, 2009, , 256 Branchements Masse volumique (g/cm) Polyéthylène à très basse densité PE-TBD VLDPE, PE-VLD Catalyse de Ziegler-Natta à basse pression () et catalyse métallocènes (mPE-TBD) Polyéthylène à basse densité linéaire PE-BDL LLDPE, PE-LLD Copolymérisation avec des oléfines par catalyse de Ziegler-Natta à basse pression () Courts Polyéthylène basse densité PE-BD LDPE, PE-LD Polymérisation radicalaire sous très haute pression Longs et courts irrégulièrement distribués 0,910 - 0,925. Polyéthylène moyenne densité PE-MD MDPE, PE-MD Catalyseur Phillips 0,926 - 0,940. Polyéthylène haute densité PE-HD HDPE, PE-HD Catalyse de Ziegler-Natta et 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 vignette|Granulés de copolymère PE-BDL. 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 PE-HD (PE haute densité), le PE-BD (PE basse densité) et le PE-BDL (PE à basse densité linéaire).
Le PE-BD est plus ramifié que le PE-HD, 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 moindreLa cristallinité est plus élevée pour le second (80-90 % contre 50-70 %) car les ramifications, courtes ou longues, y sont moins fréquentes que dans le premier., une plus faible densité, une malléabilité et une résistance aux chocs plus élevées. En revanche, le PE-HD est plus rigide. Le PE-BD est obtenu par polymérisation radicalaire vinylique sous très haute pression, et possède une masse molaire de l'ordre de à (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 70px|Code résine du PE de haute densité. 70px|Code résine du PE de basse densité. vignette|Polyéthylène PE-BD et PE-HD 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).
Les sacs plastiques représentent l'utilisation la plus visible du polyéthylène : 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 PE-HD (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 PE-BD (PE basse densité).
Les principales applications du PE-HD sont des produits rigides : flacons (détergents, cosmétiques), réseaux de canalisations, bouteilles, boîtes type Tupperware, jerricans, réservoirs de carburant d'automobiles
Les principales applications du PE-BD sont des produits souples : sacs, films, sachets, sacs poubelles, ruban adhésif, récipients souples (ketchup, crèmes hydratantes)
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, , surf, cerfs-volants), 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 ).
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
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 ..
Impact environnemental et biodégradabilité vignette|Flacon de laboratoire en polyéthylène basse densité (PEBD) 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.
À contrario, l’extrême stabilité des emballages en polyéthylène, les rends nettoyables au lave-vaisselle et réutilisables quasi indéfiniment.
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 ( 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 (), respectivement pour une période d'incubation de . 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 Jun Yang , Evidence of Polyethylene Biodegradation by Bacterial Strains from the Guts of Plastic-Eating Waxworms, Environ. Sci. Technol., 2014, 48 (23), , , mis en ligne le 19 novembre 2014..
Produits de combustion Au milieu des années 1970, on a commencé à chercher à évaluer la toxicité des produits des trois principales formes de dégradation thermique (Pyrolyse, thermo‐oxydation et combustion enflammée) du polyéthylène, au moyen de la chromatographie en phase gazeuse et de la spectrométrie de masse avec par exemple les travaux de Michal, Mitera & Tardon (1976)Michal J, Mitera J & Tardon S (1976) Toxicity of thermal degradation products of polyethylene and polypropylene. Fire and Materials, 1(4), 160-168 (résumé).. Les chimistes trouvent alors notamment des aldéhydes comme résultat de la thermo-oxydatationMitera, J., Michal, J., Kubát, J., & Kubelka, V. (1976). Analysis of thermo-oxidation products of polypropylene and polyethylene by gas chromatography/mass spectrometry. Fresenius' Zeitschrift für analytische Chemie, 281(1), 23-27..
En 1981, Hoff & Jacobsson s’intéressent aux produits libérés par la thermo-oxydation de polyéthylène basse densité (PE-BD) à une relativement faible température (264 à 289 °C) en condition, donc, de faible volatilisation (+/-4 %). Dans ce cas, 44 produits produits de décomposition thermique du PE-BD ont été trouvés ;. Seize composés oxygénés ont aussi été quantifiés (dont principalement des acides gras et des aldéhydes). À cette température, le polyéthylène libère principalement de l'acide formiqueHoff A & Jacobsson S (1981) Thermo‐oxidative degradation of low‐density polyethylene close to industrial processing conditions. Journal of Applied Polymer Science, 26(10), 3409-3423 (résumé).