Le poly(chlorure de vinyle), connu sous le sigle PVC (sigle venant de l'appellation anglaise polyvinyl chloride), est un polymère thermoplastique de grande consommation, amorphe ou faiblement cristallin, principal représentant de la famille chloropolymères.
Il est préparé à partir de deux matières premières : à 57 % de sel de mer (NaCl) et à 43 % de pétrole ; c'est la seule matière plastique constituée par plus de 50 % de matière première d'origine minérale.
Le PVC rigide est surtout utilisé pour la fabrication de profilés et tubes par extrusion. Le PVC souple (ou PVC plastifié) sert par exemple dans l'industrie des vêtements et des tapisseries.
Formule moléculaire
De formule chimique —(CH2—CHCl)n—, il est obtenu par polymérisation radicalaire du monomère chlorure de vinyle (sigle VCM, formule CH2=CHCl). Le PVC est un matériau organique.
| Structure du poly(chlorure de vinyle) | |
|---|---|
| Identification | |
| Nom UICPA | poly(1-chloroéthylène) |
| Synonymes | PVC poly(1-chloroéthène) chlorure de polyvinyle |
| No CAS | 9002-86-2 |
| No ECHA | 100.120.191 |
| PubChem | 6338 |
| ChEBI | 53243 |
| SMILES | [Afficher] |
| InChI | [Afficher] |
| Propriétés chimiques | |
| Formule brute | (C2H3Cl)n n = 700 à 1 500 |
| Propriétés physiques | |
| T° transition vitreuse | 80 °C1 |
| T° fusion | >180 °C (décomposition)2 |
| Paramètre de solubilité δ | 19,8 MPa1/23 ; 21,3 J1/2·cm-3/24 |
| Masse volumique | 1,38 g·cm-32 |
| T° d'auto-inflammation | 600 °C2 |
| Limites d’explosivité dans l’air | inférieure : 60 g·m-32 |
| Propriétés électroniques | |
| Constante diélectrique | 3,39 (1 kHz, 25 °C) 2,9 (1 MHz, 25 °C) 2,8 (1 GHz, 25 °C) 5,3 (1 kHz, 100 °C) 3,3 (1 MHz, 100 °C) 2,7 (1 GHz, 100 °C)5 |
| Propriétés optiques | |
| Indice de réfraction | \displaystyle n_D^20 1,52–1,556 |
| Précautions | |
| SIMDUT9 | |
Produit non contrôlé[+] | |
| Classification du CIRC | |
| Groupe 3 : Inclassable quant à sa cancérogénicité pour l'Homme7,8 | |
| Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire. | |
| Structure du poly(chlorure de vinyle) |
Historique
Le poly(chlorure de vinyle) a été découvert par accident à au moins deux occasions au cours du xixe siècle, d'abord en 1835 par Henri Victor Regnault et en 1872 par Eugen Baumann.
Dans les deux cas, le polymère est apparu comme un solide blanc dans des bouteilles de chlorure de vinyle après exposition à la lumière solaire.
Au début du xxe siècle, les chimistes russes Ivan Ostromislensky (en) et Fritz Klatte (en) ont tous deux tenté d'utiliser le PVC dans des produits commerciaux, mais leurs efforts ne furent pas couronnés de succès à cause des difficultés de transformation du polymère.
En 1926, Waldo Semon (en), en collaboration avec la société B.F. Goodrich, a développé une méthode de plastification du PVC en le mélangeant avec des additifs. Ceci a permis de rendre le matériau plus flexible et plus facile à fabriquer, genèse du succès commercial du PVC.
Synthèse du VCM et du PVC
Historiquement, le chlorure de vinyle était produit par réaction de l'éthylène avec du chlore gazeux. Aujourd'hui, il s'agit d'une réaction opposant l'éthylène avec l'acide chlorhydrique, en présence d'oxygène, qui est généralement utilisée.
Le produit intermédiaire, le dichloroéthane se transforme en chlorure de vinyle sous l'effet de la chaleur.
La polymérisation du VCM est amorcée par des radicaux. Le procédé le plus courant est celui en suspension. Divers additifs permettent de contrôler sa polymérisation (amorceurs de polymérisation, shortstoppers, emergency killers, agents gonflants, etc.).
Remarque : le PVC est insoluble dans son monomère.
Formulation
Certains additifs permettent d'améliorer sa stabilisation chimique, face aux ultraviolets, à la chaleur, aux chocs, etc., et stabiliser sa couleur et son aspect. Par exemple, des stabilisateurs dits « Hals » (pour Hindered Amines Light Stabilizers) le rendent plus résistant à la lumière en inhibant l'activité des radicaux libres.
Le PVC peut intégrer de nombreuses charges, qui sont surtout des minéraux tels que le carbonate de calcium naturel ou précipité, le talc, le kaolin, ou des métaux destinés à améliorer ses propriétés mécaniques, son état de surface et aussi à en diminuer le prix de revient[réf. nécessaire]. En moyenne, le PVC contient 10 % d'additifs.
Le PVC doit résister à la chaleur ou au feu. Or il est combustible et libère naturellement à 170-180 °C du chlorure d'hydrogène et dès 70 °C, du chlorure d'hydrogène lors d'une réaction auto-entretenue une fois qu'elle est amorcée. Des additifs stabilisants empêchent ou limitent cette libération :
- stéarates de cadmium et laurates de cadmium : très toxiques et autrefois très utilisés, ils ne sont plus utilisés dans quinze pays de l'Union européenne depuis 2001 et depuis 2007 pour les vingt-sept pays de l'UE où le taux de cadmium du PVC destiné à la construction ne doit plus dépasser 0,1 %, car il est difficile de l'éliminer quand on utilise du PVC recyclé ;
- sulfates de plomb, stéarates de plomb et phtalates de plomb : toxiques, ils sont maintenant interdits dans les emballages, et tendent ailleurs à diminuer dans l'UE de 2007 à 2012, et ne doivent plus être utilisés depuis 2015;
- calcium et zinc sous forme de carboxylates : ils sont utilisés comme alternative aux produits précédents (cadmium, plomb hautement toxiques). Les emballages PVC doivent en contenir moins de 0,2 % et les autres PVC devraient ne plus en contenir plus de 0,5 % ; en Europe de l'Ouest (Turquie comprise), leur usage a augmenté (passant de 18 000 t en 2000 à 80 000 t en 2011) ;
- carboxylates de baryum : comme certains carboxylates de zinc, ils sont un composant (0,1 % environ) des PVC souples (mais interdits dans les emballages alimentaires);
- organoétains : des mono- et dibutylétain, octylétain, dialkylétain diisooctylthioglycolates sont également utilisés (à hauteur de 0,1 à 0,2 % du PVC) dans les emballages et jusqu'à 1 % dans divers autres types de PVC
Usages et formes commerciales
Il existe de nombreuses utilisations du PVC dans l'industrie. On trouve principalement quatre types de PVC :
- le PVC rigide, typiquement les tuyaux de canalisation, a un aspect lisse. Les tuyaux représentent plus de 40 % de la consommation de PVC. On fabrique aussi des cartes « format carte de crédit » (cartes de membre, fidélité, réduction, client, etc.). Elles peuvent être aussi en poly(téréphtalate d'éthylène) (PET) ou en polycarbonate (PC) ;
- le PVC souple, qui recouvre certaines pièces telles les manches de pinces, a un aspect brillant. On peut aussi le trouver dans les sols plastiques, les revêtements muraux PVC et dans des types de plafonds tels les plafonds tendus ;
- les films de PVC plastifié (commercialisés en bobines) utilisés (sous forme de film adhésif) comme lamination ou pour le marquage publicitaire, ou (sous forme de film étirable) comme emballage ;
- le PVC expansé (souvent appelé Forex), utilisé comme pour faire de la publicité sur le lieu de vente (PLV), ou des enseignes.
Hygiène et sécurité
La polymérisation du PVC est irréversible. Certains plastifiants entrant dans sa composition peuvent présenter un risque pour la santé.
Le PVC permet l'utilisation du chlore rejeté lors de la fabrication de produits tels que le savon, la lessive. C'est aujourd'hui une des solutions pour éviter des stockages importants et dangereux de chlore. Ce polymère se présente sous la forme d'une poudre blanche.
Si le PVC a été autant décrié, c'est parce qu'il est soupçonné de contribuer :
- aux pluies acides ;
- au rejet de dioxines. Voir l'étude de Greenpeace montrant les effets dévastateurs en matière de rejets dans l'atmosphère à la suite de la combustion du PVC ;
- aux cancers. Le CIRC a classé le polymère dans le groupe 3 :
L'agent (le mélange, les circonstances d'exposition) ne peut pas être classé quant à sa cancérogénicité pour l'homme
.
Avant les années 1980, la technique de fabrication du PVC n'assurait pas l'absence de chlorure de vinyle monomère (CVM), qui pouvait atteindre de 200 voire 1 000 ppm. Son emploi dans la fabrication de canalisation d'eau potable oblige à un contrôle du CVM résiduel sur les canalisations en PVC d'avant 1980 car un certain nombre de cas de dépassement des limites de qualité ont été observés.
Plastification et risque toxique
On ajoute très souvent au PVC des plastifiants (pour former par exemple des plastisols) afin d'améliorer certaines caractéristiques (souplesse, allongement à la rupture, tenue au froid et aux chocs, etc.) ou de faciliter la mise en œuvre. Le PVC souple (plastifié) représente environ 30 % de la consommation de PVC.
Parmi les plastifiants utilisés, certains phtalates sont nocifs. Au cours du temps, ils peuvent migrer (permanence non assurée, en raison d'une incompatibilité avec la matrice polymère) et se déposer en surface (phénomène d'exsudation) des objets souples en PVC. Pour cette raison, leur usage est limité dans les jouets par une directive européenne.
D'autres plastifiants sont autorisés, dans la famille des adipates ou même des huiles végétales (par exemple l'huile de soja). Ils permettent depuis de nombreuses années la fabrication du film étirable alimentaire. Cependant, au contact des corps gras des aliments, certains plastifiants hydrophobes migrent dans la nourriture. D'autres alternatives sont en développement pour remplacer à terme le PVC dans les films alimentaires.
Transformation
Le PVC est le plus souvent mis en forme par des procédés en continu (extrusion, enduction). L'extrusion est utilisée notamment pour la fabrication des profilés des fenêtres et des tubes en PVC.
L'injection est moins utilisée en raison des risques de dégagement d'acide chlorhydrique, mais de nombreux articles sont cependant produits industriellement : pièces de canalisation, équipements électriques, etc.
Pour assembler différentes pièces en PVC, les méthodes les plus couramment utilisées sont le collage et différentes techniques de soudage, notamment le thermosoudage.
Incinération
Brûler du poly(chlorure de vinyle) dégage majoritairement de l'acide chlorhydrique en présence de la vapeur d'eau contenue dans l'air. À l'heure actuelle, toutes les usines d'incinération d'ordures ménagères homologuées sont munies de filtres anti-acides, car il y a des chlorures dans de nombreux déchets.
Brûler des déchets en plein air est une atteinte grave à l'environnement. En outre, la combustion du PVC génère des dioxines et furanes en quantité variable suivant les conditions de combustion.
Pour reconnaître du PVC, il faut porter un fil de cuivre à l'incandescence. Puis il faut mettre ce fil en contact avec l'échantillon de matière plastique puis l'exposer à une flamme. Si celle-ci devient verte, il s'agit généralement de PVC. Les fumées piquent les yeux (dégagement d'acide chlorhydrique HCl) et la flamme s'éteint d'elle-même.
Voir Test de Beilstein.
Recyclage
Article connexe : Recyclage du PVC.
Avant les années 2000, le PVC était perçu comme un matériau non recyclable, destiné à finir en décharge ou à être incinéré. En 2000, l'industrie du PVC en Europe a décidé de lancer Vinyl2010 : un plan d'actions qui avait pour objectif principal de mettre sur pied des filières de collecte et de recyclage adaptées aux différents types de déchets en fin de vie à traiter.
L'engagement volontaire Vinyl2010 (2000-2010) a permis de recycler annuellement 260 000 t de PVC post-consommation, au lieu des 200 000 t prévues initialement.
La création de l'initiative Recovinyl et le développement de procédés de recyclage tels que Vinyloop et Texyloop ont permis d'atteindre cet objectif.
Le procédé Vinyloop est une méthode de recyclage chimique qui permet de recycler le PVC sous forme de déchets composites. Ce procédé diffère du procédé plus répandu de broyage. Le PVC usé, qui peut provenir de différentes sources telles que les câbles et les profilés, est plongé dans un solvant et est filtré par la suite.
En 2013, plus de 444 000 t de PVC ont été recyclées en Europe, contre 362 000 t en 2012.
L'industrie européenne du PVC a décidé de reconduire un nouvel engagement volontaire, VinylPlus, afin d'être en phase avec les objectifs européens 2020. Cette fois-ci, elle vise à recycler 800 000 t de PVC par an d'ici 2020.