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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites A 3 341 − 1 Polystyrène expansé PSE par Bertrand BÉGHIN Ingénieur de l’École des Hautes Études Industrielles de Lille (HEI) Responsable Marketing Huntsman Chemical Company France S.A. e polystyrène expansé (PSE) est un matériau alvéolaire rigide, peu dense, dont les principales utilisations sont l’isolation thermique des bâtiments et l’emballage des produits industriels ou alimentaires. Il existe deux grandes familles de produits : — les polystyrènes expansés moulés (PSE-M), obtenus à partir de perles de polystyrène expansible, dans lesquelles a été dissous un agent d’expansion (en général du pentane) et qui sont expansées et moulées par action de la chaleur (procédé inventé par la société BASF en 1952) ; — les polystyrènes expansés extrudés (PSE-E), obtenus par extrusion directe de polystyrène avec injection d’un agent d’expansion tel que l’hydrochlorofluo- 1. Fabrication du polystyrène expansible en perles ........................... A 3 341 - 2 1.1 Polymérisation et imprégnation................................................................. — 2 1.2 Traitement de ﬁnition .................................................................................. — 2 1.3 Caractéristiques des produits commerciaux............................................. — 2 2. Production de PSE à partir de perles de polystyrène expansible — 3 2.1 Principe......................................................................................................... — 3 2.2 Préexpansion ............................................................................................... — 3 2.3 Stabilisation (ou maturation) en silo.......................................................... — 5 2.4 Moulage de blocs ........................................................................................ — 5 2.5 Moulage en forme ....................................................................................... — 6 2.6 Traitements complémentaires.................................................................... — 7 3. Production de polystyrène expansé extrudé ................................... — 7 4. Propriétés du polystyrène expansé .................................................... — 7 4.1 Généralités ................................................................................................... — 7 4.2 Propriétés mécaniques................................................................................ — 7 4.3 Propriétés thermiques................................................................................. — 8 4.4 Propriétés diverses...................................................................................... — 9 5. Contrôle des produits............................................................................. — 10 5.1 Polystyrène expansible ............................................................................... — 10 5.2 Polystyrène expansé ................................................................................... — 10 6. Applications .............................................................................................. — 10 6.1 Isolation thermique des bâtiments ............................................................ — 10 6.2 Autres usages dans le domaine du bâtiment et des travaux publics ..... — 11 6.3 Emballages industriels................................................................................ — 11 6.4 Emballages alimentaires............................................................................. — 11 6.5 Applications diverses .................................................................................. — 11 7. Gestion des déchets de PSE ................................................................. — 11 7.1 Réduction à la source.................................................................................. — 11 7.2 Réutilisation ................................................................................................. — 11 7.3 Recyclage ..................................................................................................... — 11 7.4 Récupération d’énergie............................................................................... — 12 7.5 Mise en décharge ........................................................................................ — 12 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. A 3 341 L POLYSTYRÈNE EXPANSÉ ________________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. A 3 341 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites rocarbure (HCFC) 142 b ou le pentane (procédé inventé par la société Dow Chemical en 1943), ces produits représentant en 1993 environ 30 % en tonnage du marché mondial total du PSE et 20 % en volume. Les propriétés les plus remarquables du polystyrène expansé sont : — sa faible masse volumique ; — son pouvoir isolant thermique ; — ses excellentes propriétés mécaniques (résistance en compression, capacité d’amortissement des chocs) ; — son insensibilité à l’eau ; — sa facilité de mise en forme (moulage, découpage) ; — sa recyclabilité. Enﬁn, la production de styrène à grande échelle et la facilité de polymérisation de ce monomère conduisent à un compromis propriétés/prix particulièrement intéressant pour les deux marchés principaux du polystyrène expansé. 1. Fabrication du polystyrène expansible en perles Le polystyrène expansible est la matière première utilisée pour le moulage d’objets en PSE-M. Il se présente sous la forme de perles de polystyrène du type standard (cristal ) dont la masse moléculaire moyenne en masse est comprise entre 160 000 et 260 000 et contenant de 4,0 à 7,0 % en masse d’agent d’expansion. Le diamètre des perles peut varier de 0,2 à 3,0 mm selon l’application de destination. 1.1 Polymérisation et imprégnation Les premiers procédés développés comportaient deux étapes : une de polymérisation et une dite d’imprégnation, et c’était au cours de cette dernière, distincte et postérieure à la polymérisation propre- ment dite, que les perles étaient imprégnées par l’agent d’expansion. Actuellement, presque tous les procédés réalisent en une seule étape la polymérisation et l’imprégnation. La réaction s’opère selon un procédé discontinu dans un réacteur muni d’une agitation et équipé d’une double enveloppe permettant, par chauffage ou par refroidissement, de réguler la température interne du réacteur. L’ensemble de la fabrication est représenté sur la ﬁgure 1. La matière première de base est le styrène et sa polymérisation est effectuée en suspension dans l’eau pour obtenir le polymère sous forme de perles. On utilise comme additifs un agent protecteur qui permet de stabiliser la suspension et de régler le diamètre des perles, des initiateurs de polymérisation et éventuellement un système ignifugeant. La réaction, exothermique, se développe suivant un programme de température déﬁni et, lorsqu’un certain taux de conversion, variable selon le procédé, est atteint, l’agent d’expansion est intro- duit sous pression. Celui-ci est généralement du pentane. Des mélanges de butane sont employés au Japon. Lorsque ces opérations, qui durent un peu moins d’une dizaine d’heures, sont terminées, le mélange obtenu, constitué de perles de polystyrène expansible et d’eau, est refroidi et envoyé dans des cuves de stockage intermédiaire. 1.2 Traitement de ﬁnition Le mélange précédent est ensuite essoré pour séparer l’eau, et un séchage des perles peut alors être réalisé. Il existe une certaine dispersion dans le diamètre des perles obtenues ; un tamisage permet donc d’obtenir différentes coupes granulométriques destinées à différentes applications. Ces différentes coupes reçoivent enﬁn un enrobage (également appelé traitement de surface ) destiné à optimiser leur mise en œuvre. Il est généralement constitué de divers stéarates (organiques ou métalliques). Après un stockage intermédiaire en silos, les produits sont conditionnés, principalement en conteneur carton d’une tonne. Le produit doit être conservé à une température modérée (infé- rieure à 20 oC) ; la durée de conservation est limitée à un mois pour les conteneurs en carton et à six mois pour les fûts métalliques. En effet, le pentane diffuse lentement à l’extérieur des emballages et les performances d’expansibilité du produit se dégradent dans le temps. 1.3 Caractéristiques des produits commerciaux Les producteurs offrent sur le marché différentes qualités qui se distinguent par : — leur granulométrie : les produits les plus fins (diamètre de 0,2 à 1,0 mm) sont destinés principalement à la fabrication d’embal- lages; les produits les plus gros (diamètre de 1,0 à 3,0 mm) servent à la production de plaques d’isolation thermique ; Terminologie : on utilisera les abréviations : — PSE (polystyrène expansé) pour les mousses de polysty- rène en général ; — PSE-M (polystyrène expansé moulé) pour celles obtenues par le procédé d’expansion-moulage à partir de perles de polys- tyrène expansible ; — PSE-E (polystyrène expansé extrudé) pour celles obtenues par le procédé d’extrusion. ________________________________________________________________________________________________________________ POLYSTYRÈNE EXPANSÉ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites A 3 341 − 3 — leur potentiel d’expansion : la nature du polymère, la teneur en agent porogène et la présence de certains adjuvants permettent d’obtenir des produits ayant une plus faible densité finale ; — leur cadence de moulage : les adjuvants et les traitements de surface permettent l’obtention de produits dont le démoulage peut être accéléré ; — leur tenue au feu améliorée : ce matériau étant par nature combustible, on lui ajoute un système ignifugeant qui interrompt la propagation de flamme par un mécanisme radicalaire. Ces dernières années sont apparus sur le marché des produits à teneur en pentane réduite (environ 4 à 5 % contre 6 à 7 % habituel- lement), qui sont particulièrement bien adaptés au moulage d’objets et de blocs de moyenne et haute densités, et qui permettent des réductions importantes du temps de stabilisation après expansion ainsi que du temps de cycle au moulage. 2. Production de PSE à partir de perles de polystyrène expansible 2.1 Principe La mise en œuvre du polystyrène expansible comporte trois étapes. Les perles sont d’abord expansées par mélange avec de la vapeur d’eau dans une cuve agitée : c’est la préexpansion ou prémoussage. C’est à ce stade que la densité ﬁnale du matériau est déterminée. Les perles expansées, dont le volume peut représenter jusqu’à 60 fois le volume des perles avant expansion, sont alors stockées pendant quelques heures à l’air libre : cette étape correspond à la stabilisation, ou maturation, des perles. Enﬁn, elles sont soudées entre elles dans des moules par un nouveau chauffage à la vapeur : c’est le moulage. La ﬁgure 2 représente l’ensemble du procédé de fabrication. 2.2 Préexpansion Cette opération consiste à chauffer les perles par de la vapeur d’eau. Il se produit un ramollissement de la matrice de polystyrène vers 90 oC et une augmentation de la pression de vapeur de l’agent porogène qui se trouve au-dessus de sa température normale d’ébul- lition (pour le pentane technique, aux environs de 35 oC). Ces deux phénomènes simultanés provoquent l’expansion des perles. La ﬁgure 3 représente l’évolution de la masse volumique apparente des perles en fonction du temps de séjour dans le préexpanseur. La masse volumique minimale atteinte est variable selon les produits. uploads/Industriel/ a-3-341-polystyrene-expanse-pse.pdf