Chimie: Fabrication des polymères <

Pour fabriquer un polymère, une technique appropriée est utilisée. Pour connaitre la qualité du produit, on utilise des essais normalisés comme Le Melt Flow Index MFI, ('indice de fluidité à chaux), qui caractérise la viscosité du polymère à l'état fondu, directement reliée à la mase molaire moyenne du polymère.

I. Le Polyéthylène:

C'est un procédé de polymérisation en phase gaz (lit fluidisé)La matière première est l'éthylène (CH₂=CH₂).

A: Stockage du catalyseur. Le catalyseur solide est à base d'oxyde de chrome sur un support poreux de silice.
B: Réacteur en continu à air fluidisé. l'éthylène, α oléfines, et l'hydrogène arrivent du fond du réacteur. l'α-Oléfine est du butène-1. H2 est un agent de transfert de chaîne.
C. Compresseur de circulation du gaz.
D. Ballon de flash séparant le monomère résiduel du polymère.
Le monomère résiduel est pompé par le compreseur F de recyclage des monomères, puis C et refrodit par l'échangeur thermique E avant de retourne au réacteur.
la poudre polymère arrive au silo G pour dégazage, puis, on ajoute des additifs à sa sortie.
H. Éxtrudeuse (granulatrice)
Le polymère PE produit final arrive au silo des granulés I.

Nous avons trois générations pour le polyéthylène produit:
1. La première génération est le PE bd ( basse densité, haute pression). C'est un polymère amorphe de densité 0.91 - 0.94 constitué de chaînes linéaires ramifiées.
2. La deuxième génération est le PE bd ( haute densité, basse pression). C'est un polymère cristallin de densité 0.94 - 0.97 constitué d chaînes linéaires non ramifiées.
3. La troisième génération est le PE bdl ( basse densité linéaire). Il est fabriqué comme le PE hd, mais on y ajoute un comonomère. Celui-ci est une αOléfine tellle que le butène-1 (C=C-C-C) pour contrôller la densité. Il es constitué de chaînes linéaires avec courtes ramifications.

Deux méthodes sont utilisés pour fabriquer le polyéthylène: Par voie radicalaire ou par voie ionique fabriquant le PE hd ou le PE bdl.

II. Le Polypropylène:

La matière prmière est le gaz propylène (C₃H₆). Il peut ^rtre polymérisé en solution, ou en solution ou en phase gazeuze. On distingue:
1. Le propylène PP homopolymère: constitué de chaînes linéaires, de structure isotactique lui donnant une cristallinité élevée, de température de transistion vitreuse de -10 ^oC.
2. Le PP copolymère statistique: coopolymérisé avec 1 à 5% d'éthylène qui lui confère une souplesse et une une transparence.
3. Le PP copolymère séquencé: produit dans des réacteurs en cascade: Le PP homopolymère et ensuite un élastomètre d'éthylène et de propylène.

A. Circulateurs ( Pompes axiales)
B. Prépolymèrysateur
C. Réacteur torique de polymérisation ( en boucle)
D. Réchauffeur -vaporiseur
E. ballon de flash du monomère à recycler
F. Condenseur.
G. Réacteur de copolymérisation en lit fluidisé
H. Refroidisseur
I. Compresseur de recyclage des monomères résiduels
J. Séparateur basse pression des monomères et de la poudre de PP
K. Colonne de purge et de désactivation du catalyseur
er. Eau de refroidissement.

III. Le Polystyrène:

La matière première est le styrène qui est un liquide. On distingue:
1. Le PS cristal: C'est un homopolymère de chaînes linéaires. Il est de structure atactique et amorphe. Il est de type thermoplastique. C'est un solide rigide de température de transition vitreuse de 100 ^oC; obtenu avec du styrène pur sans diluantet sans initiateur.
2. Le PS choc: Obtenu en présence de 4 à 6% en masse de polybutadiène. Il est constitué de deux pahses: Un phase élastomètre dispésée dans une phase polystyrène.

La polymérisation en continu du styrène se fait avec ou sans initiateur sous l'action controlée de la température, avec ou sans diluant.

La réaction de polymérisation se fait en continu dans un réacteur de type agité. La polymérisation se fait jusqu'à une conversuon de 70% sous vide léger. Un plastifiant (huile minérale) pourrait être ajoutée. Le produit sortant du réacteur passe par un préchauffeur puis dans un dévolatiliseur. Il passe ensuite à travers un filtre et puis un garunulateur avant d'aller au stockage. Le styrène non polymérisé et le diluant sont retournés au ballon de stockage pour recyclage.

A. Bac de stockage
B. Bac de recyclage et d'alimentation
D1. et D2. Dévolatyliseurs
E1. et E2. Échangeurs de chaleur
F. Filière
G. granulateur
H. filtre
P1. et P2. Pompes centrifuges
P3. et P5. Pompes à engrenages
P6. et P7. Pompes à vide
R. Réacteur dr polymérisation
V. Compresseur.

IV. Le PVC (Polychlorure de vinyle):

Il est fabriqué à partir du chlorure de vinhyle CH2=CH-Cl; qui est un gaz concérigène synthétisé selon les étapes suivantes:
CH2=CH2 + Cl → CH2Cl-CH2Cl → CH2=CHCl + HCl
Le PVC est constitué de chaînes linéaires de structure atctique. C'est polymère amorphe de température de transition vitreuse égale à 90 ^oC. C'est donc un solide rigide transparent. Il est commercialisé sous deux formes:
1. Le PVC rigide: constitué de l'homopropylène.
2. Le PVC souple: constitué de l'homopropylène avec un ajout de plastifiant.

La polymérisation du styrène se fait par voie radicalaire et généralement en suspension et en mode discontinu.
On contrôle la réaction au moyen de tension de vapeur du gas monomère chlorure de vinyle. Le monomère est dispersé dans l'eau par forte agitation. Il forme des goutelettes qui sont satbilisées par coalescence grâce à un agent de suspension. Lorsque le taux de conversion atteint la valeur de 70% la pression chutte. La réaction est arrêtée à une pression définie, soit en ajoutant un agent de terminaison, soit en dégazant le monomère résiduel vers la récupération.
Le monomère suspendu résiduel (slurry) est éliminé dans la colonne de strippage. Le monomère en tête de colonne est liquéfié puis réutilisé. La suspension du bas de colonne est dirigée vers une centrifugeuse. Le gâteau humide ( 20 à 30% d'humidité) est séché en lit fluidisé. le polymère receuilli se présente sous forme de poudre.

IV. Les additifs:

Les additifs sont des substanses mélangées (sans réaction) avec le polymère pour en modier des propriétés physiques ou chimiques dans le but de rencontrer certaines spécifications. Ils sont choisi selon leur performance, la compatibilité avec le polymère,le coût, la toxicité, et les effets poluants. On les classe dans les catégories suivantes:

Les plastifiants: Ils ont pour role d'assouplir un polymère rigide. Utilisés surtout avec le PVC. Ils s'intercalent entre les chaînes pour affaiblir les liaisons intermolaiculaires responsables de la rigidité du polymère. Avec le temps ils éxudent du polymère.
Les stabilisants: Ils ont pour rôle de ralentir la dégradation du polymère, due à la température, aux UV, et l'oxygène atmosphérique:
1. Les anti-UV: absorbent les rayans UV et les dissipent sous forme de chaleur. Ces UV de courtes longueurs d'onde (< 300 nm) attaquent les liaisons chimiques faibles. On utilise le noir de carbone et les hydroxybenzophénones.
2. Les antioxydants: Ils doivent stopper, dès leur apparitio, les radicaux RO^. formés par l'attaque des liaisons faibles C-H par l'oxygène. Ce sont le noir de carnone, les phénols, et les amines.
3. Les stabilisants thermiques pour le PVC: On ajoute au PVC des stabilisants comme le stéarate de barium ou les organostanniques pour empécher a dégradation due au chauffage exessif et le dégagement des produits toxiques ou corrosifs comme le HCl.
Les antichos: Ce sont des polymères ajoutés au mélange afin d'augmenter la résistance du polymère aux chocs. Par exemple le polybutadiènne ajouté au PS.
Les antistatiques: Qui doivent élimlner les effets de l'électricité statique responsable de la production d'éteincelles et l'accrochage des poussières. à cet effet, on utilise les amines et les esters.
Les lubrifuants: Ils redisent le frottement polymère-métal. Exemples; la cire de PE ou du stéarate de calcium.
Les ignifugeants: Comme les composés chlorés ou l'alumine hydratée, ces additifs empèchent la combustion des polymères.
Les colorants et pigments: Le colorant est soluble dans le polymère, mais pas le pigment. Ils servent à donner au polymère une coloration désirée. On utilise pour les colorants l'anthraquinone et les azoiques; les oxydes métalliques et les sulfures métalliques pour les pigments.

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