Matière plastique

Les propriétés des matériaux plastiques ne cessent de s'améliorer.

On constate l'emploi grandissant de pièces en matières plastiques à la place de pièces métalliques, souvent plus onéreuses, plus sensibles à la corrosion, ou plus lourdes. Certaines caractéristiques techniques diffèrent notablement de celles des métaux :

• la densité des matières plastiques non expansées est nettement plus faible que celle des métaux (hors magnésium) : de 0,83 (cas du poly-4-méthyl-pentène-1 désigné par PMP) à 2,15 (PTFE), avec 1,2 comme valeur moyenne. La densité d'un polymère est directement fonction du taux de cristallinité. Par ailleurs, la rigidité et la résistance mécanique augmentent avec ce taux ;
• température de transformation plus basse : couramment comprise entre 100 °C (le PS est facile à travailler : extrudable dès 85 °C) et 300 °C (le PC est injecté vers 300 °C). Les bioplastiques sont transformés de 160 à 200 °C, contre environ 220 °C pour des compounds ordinaires équivalents ;
• élasticité plus élevée (jusqu'à 800 % d'allongement à la rupture pour le PEHD) ;
• thermostabilité des polymères thermoplastiques nettement inférieure à celle des métaux. Rares sont les plastiques résistant à plus de 250 °C pendant de longues périodes dans l'air. Des modifications structurales, particulièrement parmi les matières thermoplastiques, permettent d'élargir le domaine thermique d'utilisation vers les basses ou hautes températures ;
• module d'élasticité plus faible (le module du PEBD est peu élevé : E~200 MPa ; à l'opposé, les aminoplastes présentent un module très élevé). Une incorporation croissante de fibres augmente le module d'élasticité et la contrainte à la rupture (ténacité) du composite. La dilatation thermique des matériaux est inversement proportionnelle à leur module de traction. Le coefficient de dilatation des polymères thermoplastiques est supérieur à celui des métaux ;
• tenue (ou résistance) aux agents chimiques : en règle générale, les polymères résistent aux acides et aux bases [grande inertie chimique du PTFE et du PE (en raison de sa structure paraffinique)]. Ils sont cependant sensibles aux solvants (bonne tenue du PTFE, PBT et PA-6,6) ;
• les polymères ont un comportement viscoélastique. En effet, ils démontrent simultanément des propriétés élastiques et un caractère visqueux. Dans ce dernier cas, la matière s'écoule en réponse à une contrainte ;
• certains plastiques sont des amortissants vibratoires ; exemples : ABS, copolymère bloc SIS [ou poly(styrène-b-isoprène-b-styrène)] ; intérêt en vibroacoustique ;
• la plupart des polymères thermoplastiques amorphes non chargés (et non colorés…) sont transparents (PMMA, PC, PS « cristal », etc.) ;
• certains plastiques manifestent une grande résistance à l'impact (PC, PET, PMMA, etc.) ;
• certains sont résistants à l'abrasion (PTFE, PVC rigide, polyamides, PET, aminoplastes, etc.). Le PTFE possède un coefficient de friction particulièrement faible qui lui permet d'être un lubrifiant solide ;
• des déchets plastiques très stables peuvent rester des siècles durant dans l'environnement ; ils peuvent cheminer dans des organismes et ceux qui se fixent ont un effet inconnu.

Les matrices organiques sont des isolants thermiques et électriques, ainsi que les fibres de renfort (sauf fibres de carbone)[10] :

• la conductivité thermique des polymères est environ cent fois plus faible que celle des métaux ; ainsi, beaucoup de matières plastiques, en particulier les mousses, sont utilisées comme isolants ;
• conductivité électrique très faible ; les plastiques servent traditionnellement pour l'isolation de fils et câbles électriques (PTFE, PEHD).

Les plastiques prêts à l'emploi sont souvent constitués de longues chaînes carbonées[14]. Ils sont en général dérivés de combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon). Diverses substances (charges, plastifiant(s) et additifs), dont la proportion en masse peut être majoritaire, sont incorporées lors de la fabrication.

La matière de base (la résine) est un polymère[15]. Les résines des matières plastiques sont issues de produits intermédiaires (éthylène, propylène, acétylène, benzène, etc.) dont les matières premières sont le pétrole (notamment grâce au procédé de vapocraquage du naphta), le gaz naturel[16] et le charbon.

Un polymère est une substance composée de macromolécules. Une chaîne polymère est constituée d'un grand nombre d'unités monomères. La viscosité et la résistance mécanique d'un polymère augmentent avec le degré de polymérisation (DP ou n) ; ce dernier définit la longueur des chaînes[17].

Si le degré de polymérisation est supérieur à 3 000, le produit sera une matière plastique ; le DP peut atteindre six millions.

Les matières plastiques sont synthétisées par polymérisation de monomères ou de (pré-) polymères :

• les polymères monodimensionnels (linéaires ou ramifiés) résultent de la polymérisation de monomères bivalents ;
• les polymères tridimensionnels sont formés par polymérisation de monomères dont la valence moyenne est supérieure à deux, ou par réticulation (par voie chimique ou physique) de polymères linéaires.

La polymérisation est un processus important dans l'industrie chimique car les polymères en résultant doivent présenter les propriétés souhaitées, notamment, la durabilité, l'inertie chimique vis-à-vis de nombreux produits, l'élasticité, la transparence et les résistances mécanique et thermique.

Il existe deux catégories de polymérisations :

• les polymérisations par étapes, faisant appel à des polycondensations (conduisant par exemple aux polyamides ; la réaction se fait par élimination de molécules simples, surtout l'eau) ou à des polyadditions (pour produire par exemple les polyuréthanes). Les polymères obtenus contiennent souvent des hétéroatomes caténaires, tels les polyamides avec l'atome d'azote ;
• les polymérisations en chaîne. Suivant le type de centre actif, on distingue les polymérisations radicalaires, cationiques, anioniques ou coordinatives (dans ce quatrième cas, le centre actif propageant est un complexe de coordination entre le monomère et un atome de métal de transition tel le titane ou le zirconium). Cette seconde catégorie concerne essentiellement des monomères vinyliques qui conduisent à des polymères constitués d'enchaînements -C-C-.

Pour améliorer certaines propriétés, les matières plastiques du commerce sont parfois constituées d'une résine de base modifiée par une autre résine ou un élastomère (intérêt de la copolymérisation).

Il n'existe pas de macromolécules bidimensionnelles préparées par synthèse.

Il existe quatre procédés de préparation des polymères : polymérisation en masse, en solution, en suspension et en émulsion. Exemples : les polymères thermoplastiques PE, PVC et PS peuvent être synthétisés par ces quatre méthodes de polymérisation. La copolymérisation fournissant l'ABS s'effectue le plus souvent par le procédé en émulsion aqueuse, grâce à la formation de micelles.

Elle joue un rôle important. Les charges, plastifiants et additifs sont incorporés et dispersés dans la matrice de la résine pour améliorer ses caractéristiques (résistance thermique, au feu, chimique, aux chocs ou au vieillissement, masse volumique, couleur, etc.) ou sa mise en œuvre (souplesse…)[18].

La formulation doit être non toxique. Une fiche de données de sécurité (FDS) de la préparation doit parfois être fournie à l'utilisateur.

Production de granulés (compoundage, ou compounding en anglais) à partir du formulat (polymère formulé) homogène, au moyen d'un malaxeur-extrudeur et d'une extrudeuse. Les granulés seront utilisés, par exemple, pour le moulage par injection.

On distingue (liste non exhaustive) :

• la (les) résine(s) de base : apporter de la cohésion au matériau ;
• les charges : diminuer le coût de la pièce, améliorer certaines propriétés mécaniques ou des propriétés spécifiques ; jusqu'à plus de 100 % d'incorporation en masse dans le matériau polymère pour certains plastisols. Les améliorations sont d'autant plus marquées que la granulométrie est fine. On relève :
  • charges d'origine minérale (souvent utilisées) en poudre : carbonate de calcium naturel[19], silices naturelles, silice synthétique (amorphe, agent thixotropique), talc, argile, kaolin, noir de carbone, graphite, barite (d~4,4), ferrite de baryum, etc.,
  • charges organiques : farine de bois (faible coût) ou d'écorce de fruits, pâte de cellulose, amidon (améliore la biodégradabilité), poudre élastomère (antichoc), etc.,
  • charges métalliques : rendre la matrice organique partiellement conductrice (ajout de poudres ou paillettes d'aluminium, cuivre, zinc, etc.),
  • charges renforçantes fibreuses : améliorer les caractéristiques mécaniques, la tenue thermique et la stabilité dimensionnelle du matériau composite (diminution du retrait) (fibre de verre, mica, etc.)[20],
  • charges renforçantes non fibreuses ; les charges sphériques les plus utilisées sont les « microbilles » de verre creuses ; les billes creuses permettent d'obtenir un matériau plus léger, plus rigide et offrant une meilleure résistance à la compression de la résine chargée,
  • nouvelles applications :
    • argile nanométrique (très fine), incorporée jusqu'à 5 % (pour nanocomposites et emballages de bouteilles),
    • céréales : améliorer la recyclabilité (jusqu'à 50 % d'incorporation),
    • lin : augmenter la dureté du polypropylène ;
• le(s) plastifiant(s) : diluant(s) peu volatil(s) de faible masse molaire, à l'état solide, ou à l'état liquide (plus ou moins visqueux) ; ils rendent en particulier le composé obtenu plus flexible, plus résilient et diminuent la température de transition vitreuse et la température de mise en œuvre ; ajouté(s) en proportion variable (d'une faible proportion jusqu'à 50 % d'incorporation dans certains plastisols) (phtalates, adipates, sébaçates, phosphates, polyesters, etc.) ;
• les additifs.

En général, ils sont incorporés en faible proportion (mais parfois jusqu'à 50 % du poids de la résine) pour améliorer ou créer certaines propriétés des plastiques.

Nombre d'entre eux n'ont pas fait l'objet d'une évaluation complète de sécurité en termes de toxicologie ou d'écotoxicologie. Faute de réglementation internationale et dans l'attente de l'application du règlement REACH, ils sont essentiellement autorisés et contrôlés au niveau national. En Europe, la liste d'additifs de la Directive 2002/72/EC concernant les matières plastiques et des articles qui entrent en contact avec des produits alimentaires est une liste positive (les produits non listés sont interdits) depuis le 1^er janvier 2010. Une liste ancienne est consultable[21]. Ils deviennent préoccupants car ils sont souvent écotoxiques et libérés en quantité croissante par les plastiques qui se dégradent, notamment en mer dans le contexte d'une large contamination du milieu marin par les plastiques, croissante depuis les années 1950.

Le système de réticulation permet la synthèse de polymères tridimensionnels ; il y a formation d'un réseau tridimensionnel (réticulation) à partir de polymères linéaires. Il s'agit notamment de durcisseurs, catalyseurs et accélérateurs[22].

Des additifs ignifugeants sont inclus dans les résines de composants électriques ou électroniques[23]^,[24].

En 2014, les additifs les plus utilisés par l'industrie du plastique sont (par quantité décroissante)[25] :

1. Les plastifiants : ils représentaient environ 50 % des additifs pour plastiques vendus dans le monde. Les phtalates représentaient 70 % des plus de huit millions de tonnes de plastifiants vendus dans le monde, en 2014 toujours[26] ;
2. Les retardateurs de flamme : pour réduire ou empêcher les phénomènes de combustion (jusqu'à 10 % d'incorporation) (hydroxyde d'aluminium, phosphonates, etc.) ; indispensables chaque fois que la sécurité est en jeu car la plupart des matières plastiques sont particulièrement inflammables ; ils doivent être stables dans le temps, peu ou pas toxiques[27] ;
3. Les modificateurs d'impact : ce sont des molécules ou atomes qui rendent le plastique plus résistant au poinçonnement et à la casse, à basse température notamment ;
4. Les antioxydants et autres stabilisants : ils retardent la dégradation du polymère : stabilisants au dioxygène (antioxydants ; tels certains phénols à encombrement stérique ou la diphénylamine[28] ; pour les ABS, PE, PS, etc.), à l'ozone (antiozonants ; concerne par exemple les polymères issus du butadiène) ;
5. Les agents biocides (fongicides et/ou bactéricides en général) : asepsie, pour résister à l'attaque des micro-organismes, en milieu humide ou hospitalier par exemple ;
6. Les stabilisants UV (anti-UV) : tels les absorbeurs UV et les désactivateurs[29].

Autres additifs :

• stabilisants thermiques : ils facilitent la mise en œuvre (et secondairement pour la résistance à la chaleur en utilisation, par exemple pour les PVC, PMMA, etc.) ;
• agents gonflants : obtenir un produit-mousse (composé cellulaire peu dense, la densité peut atteindre 0,005) ; un gaz peut être libéré par la décomposition chimique de l'agent sous l'action de la chaleur (isolation, sièges et volants d'automobile, etc.) ;
• lubrifiants : faciliter la mise en œuvre en augmentant le glissement (jusqu'à 2 % d'incorporation) (cires, stéarate de calcium, etc.) ;
• promoteurs d'adhésion : améliorer l'adhésion sur le verre, les fibres de verre ou sur un métal (silanes, titanates, composés contenant des groupes polaires, etc.) ;
• agents antistatiques : ils s'opposeront aux dépôts de poussières en rendant le plastique conducteur en surface ; en effet, la plupart des polymères sont de faibles conducteurs électriques ;
• solvants : pour peintures (enduction), adhésifs, etc. ;
• colorants : ce sont des pigments solides insolubles qui sont ajoutés au polymère, tels le noir de carbone, divers oxydes métalliques ou des colorants organiques[30] solubles dans le polymère).

Certains de ces additifs sont multifonctions : ainsi, le noir de carbone (ou carbon black) est utilisé depuis très longtemps dans l'industrie des matières plastiques sous forme pulvérulente, à la fois comme pigment, comme stabilisant (à l'oxydation, aux ultraviolets et à la chaleur), comme nanocharge de renforcement des propriétés mécaniques des élastomères et comme conducteur électrique.

Relation structure-propriétés : chaînes linéaires (cas des polymères thermoplastiques, schéma de gauche) et réseau de molécules (thermodurcissables, à droite).

On peut classer les polymères en deux types, en fonction de leur comportement à la chaleur : les thermoplastiques (polymères linéaires, ramifiés ou non) et les thermodurcissables [polymères tridimensionnels (réticulés)][31] :

• portés à une température suffisante (au-dessus de leur température de transition vitreuse T_v ou de fusion T_f), les polymères thermoplastiques se trouvent à l'état « fondu » (état fluide ou déformable) et sont donc susceptibles de s'écouler sous l'action d'une contrainte. Cela permet leur mise en forme au moyen des techniques habituelles (thermoformage, extrusion, injection, etc.). L'opération peut se répéter plusieurs fois ;
• les polymères thermodurcissables durcissent (réticulent) lors d'un premier chauffage (ou éventuellement à température ambiante). Dans le domaine des peintures, c'est une propriété très souvent mise à profit. Un apport de chaleur peut déclencher une réaction de polymérisation tridimensionnelle qui crée des pontages entre les chaînes de polymères et durcit de manière irréversible le matériau.

Les polymères thermodurcissables sont souvent rigides et fragiles tandis que les polymères thermoplastiques et les élastomères montrent une résistance mécanique médiocre très affectée par la température.

Pour ce qui concerne la structure moléculaire, les matériaux polymères solides sont soit :

• semi-cristallins [présence de zones cristallines (cristallites et sphérolites) et existence d'un intervalle de fusion étroit qui permet une transition rapide de l'état solide ou pâteux à l'état fluide, par élévation de température], à morphologie hétérogène (exemples : PE, PPi, PA, polyesters thermoplastiques, POM [(-CH₂-O-)_n], PTFE) ;
• soit amorphes, montrant un ramollissement progressif par élévation de température (PS et ses copolymères, PMMA, PC, PVC[32], etc.).

Remarque sur l'influence de la tacticité : un polymère atactique (PMMA, PS, etc.), dont la chaîne macromoléculaire présente une forme géométrique irrégulière, ne peut pas cristalliser, contrairement à un polymère isotactique ou syndiotactique.

La structure des polymères est reliée aux propriétés thermomécaniques. Par exemple, lors de la mise en œuvre par injection, les plastiques amorphes sont plus tolérants [process plus aisé, retrait (shrinkage en anglais) plus faible au refroidissement] que les semi-cristallins (ces derniers ont une prédisposition à cristalliser)[33].

Le taux de cristallinité d'un polymère influence les propriétés mécaniques (le module de Young augmente lorsque le taux de cristallites augmente. Inversement, la limite de déformation élastique diminue).

On admet en général que les propriétés d'un plastique technique sont optimales lorsque la cristallinité moyenne permet de combiner la résistance mécanique et thermique de la phase cristalline à la résilience de la phase amorphe (pratiquement 50 à 60 %).

La plupart des polymères thermoplastiques ne sont pas utilisés au-dessus de 120 °C, température à laquelle se produit un ramollissement (pour les amorphes) ou une fusion (pour les semi-cristallins), qui supprime les propriétés mécaniques. Les polymères thermoplastiques amorphes sont utilisés en dessous de leur T_v, à l'état vitreux. En principe, les matières thermodurcissables ont une meilleure tenue thermomécanique (à la chaleur, au feu, au fluage, faible retrait, etc.) et chimique que les thermoplastiques. Les meilleurs thermostables sont des thermodurcissables.

Lorsque les matériaux plastiques sont observés en service, on se rend compte qu'ils sont soumis à des contraintes qui provoquent des déformations pouvant dans certains cas conduire à la rupture. Le comportement en service des matériaux définit leurs propriétés d'usage.

Il est important de connaître les propriétés intrinsèques (inhérentes aux matériaux) afin de faire un choix judicieux de la matière la plus apte à remplir les fonctions qui lui sont assignées. La résistance des matériaux est la science qui va, à partir de propriétés propres à chaque matériau, définir les caractéristiques et conditions d'utilisation de chacun.

Les propriétés mécaniques font partie des propriétés intrinsèques des matériaux et sont définies à partir d'essais comparatifs, normalisés. En général, on utilise les normes ISO, ASTM et DIN, ou des normes « maisons » lorsque les tests sont directement liés aux propriétés d'usage.

Les propriétés mécaniques sont ensuite utilisées pour prédire les propriétés finales des objets finis. Cependant, certaines caractéristiques structurales liées à la transformation des matières plastiques, telles le degré de cristallinité, l'orientation des chaînes macromoléculaires, ou les tensions internes résultant des conditions de mise en œuvre et de refroidissement, peuvent influencer les propriétés de l'objet. Ces propriétés sont appelées propriétés de transformation.

On peut résumer les propriétés du matériau comme suit :

• propriétés intrinsèques (propres au matériau) ;
• propriétés de transformation (fonction des méthodes et conditions de mise en œuvre) ;
• propriétés d'usage (définies par les conditions d'utilisation).

Un grand nombre d'essais mécaniques utilisés pour caractériser les matières plastiques découle des techniques d'analyse des métaux telles les mesures du module d'élasticité, de la résistance à la traction et de l'allongement à la rupture.

Caractérisation mécanique : courbe contrainte-déformation établie pour un échantillon de trois matériaux-types.

Les analyses mécaniques et rhéologiques sont basées notamment sur des essais de traction, compression, cisaillement, flexion et torsion.

Les équipements d'analyse comprennent les appareils de mesure de l'indice de fluidité à chaud (pour les polymères thermoplastiques) (MFI, Melt flow index en anglais)[34], les appareils de traction, les extensomètres, les analyseurs DSC, les viscosimètres (de type rotationnel, cône-plan ou capillaire) (pour les thermoplastiques), les analyseurs DMA (ces deux derniers instruments sont affectés aux mesures dynamiques), les appareils de choc Izod et choc Charpy, etc.

En ce qui concerne les polymères solides, un simple essai de traction uniaxial permet de mesurer certaines propriétés mécaniques.

Les matériaux se répartissent d'après leur comportement en contrainte-déformation, en trois catégories générales : rigides (souvent peu ductiles et peu résistants aux chocs), plastiques ou élastomères. Le graphique intitulé « Caractérisation mécanique » obtenu lors d'un essai de traction met en évidence ces trois catégories :

• la courbe A illustre le caractère en contrainte-déformation d'un polymère rigide (module élevé) dont la rupture se produit quasi simultanément à la limite d'élasticité. Le polymère a un comportement fragile (faible allongement à la rupture) ;
• la courbe B montre que le comportement de certains matériaux plastiques est semblable à celui de nombreux matériaux métalliques : la déformation élastique initiale est suivie d'une déformation plastique. Le matériau est tenace (fort allongement à la rupture) ;
• la courbe C indique une déformation élastique dans un large domaine de déformation ; ce comportement mécanique est typique d'un élastomère.

Les matières plastiques ont des propriétés mécaniques influencées par les principaux facteurs suivants :

Influence de la température : courbe établie pour un échantillon de plastique à différentes températures.

• la température ;
• la cohésion des polymères ;
• la modification des propriétés mécaniques moléculaires des polymères ;
• leurs conditions de transformation.

Globalement, le module d'élasticité et l'allongement à la rupture des polymères rigides se déterminent de la même façon que dans le cas des métaux.

La limite d'élasticité Re des polymères plastiques équivaut sur la courbe à la valeur maximale de la contrainte se situant à la fin de la région élastique linéaire. De plus, la résistance à la traction Rm correspond à la contrainte entraînant une rupture ; elle peut prendre une valeur supérieure ou inférieure à Re.

Il est important de souligner que les propriétés mécaniques des polymères thermoplastiques et des élastomères dépendent fortement de la température (voir le graphique intitulé « Influence de la température »), des contraintes extérieures et du temps d'observation. Une élévation de température fait passer un matériau thermoplastique d'un comportement rigide et fragile à un comportement ductile et tenace.

Les matériaux plastiques composés de polymères à chaîne linéaire ou ramifiée sont en principe fusibles. Les polymères thermoplastiques (ou polyplastes, thermoformables) se déforment et sont façonnables sous l'effet de la chaleur, gardant cette forme en refroidissant (analogie avec la cire des bougies). Ce phénomène réversible permet leur recyclage : les objets sont broyés et « refondus » pour en élaborer d'autres.

Les thermoplastiques sont par ailleurs solubles dans des solvants spécifiques, ce qui permet leur utilisation comme revêtements et colles.

Pour fixer les idées, la plupart des polymères linéaires industriels ont des masses molaires voisines de 10⁵ g mol⁻¹. Une macromolécule linéaire peut avoir une longueur qui dépasse le dixième de micromètre, ses dimensions latérales restant mille fois plus faibles.

Les textiles synthétiques (fils et fibres) sont toujours thermoplastiques. Ils sont apparus en 1940. On compte actuellement plus de quarante types de textiles synthétiques et plus d'un millier de noms commerciaux pour les désigner.

Les polymères thermodurcissables prennent leur forme définitive après la réaction chimique (polymérisation) accompagnant leur transformation. Le réseau tridimensionnel obtenu donne au produit fini son caractère d'irréversibilité thermique. La structure réalisée avec une résine thermodurcissable ne peut varier et se trouve géométriquement figée (analogie avec la cuisson d'un œuf). Plus le composé sera tridimensionnel, plus il sera rigide, cassant, insoluble et infusible.

Exemple : copolymérisation du polyester insaturé en présence de styrène. La structure obtenue est définitive, le produit fini est infusible donc non transformable et non recyclable.

Certains élastomères sont hautement déformables : ils se caractérisent par la faculté de supporter de grandes déformations (jusqu'à environ 1 000 %) avant rupture.

Les élastomères sont des polymères à caractère amorphe ou cristallin présentant des propriétés remarquables en élasticité, amortissement et étanchéité (air, eau). Ils sont thermoplastiques et deviennent thermodurcissables par vulcanisation.

Ils sont employés en général réticulés, et le plus souvent à une température supérieure à leur température de transition vitreuse, sur le plateau caoutchouteux ; utilisation : fabrication de la gomme des pneumatiques [contenant principalement du caoutchouc naturel (NR) et du copolymère élastomère styrène-butadiène (SBR)[41]], bandes transporteuses, tuyaux, durits, coussins, silentblocs, joints, mastics, gants médicaux, chaussures, etc.

L'usage prévaut de réserver le terme de matière plastique à trois grandes familles de matériaux, les thermoplastiques, les thermodurcissables et les plastiques techniques[16], dont la structure, les propriétés physico-chimiques et de mise en œuvre (comportement sous l'action de la chaleur et de la pression) diffèrent totalement. Les résines thermoplastiques sont les plus utilisées industriellement.

Les polyimides, le polytétrafluoroéthylène et les silicones peuvent être classés dans les thermostables[49] ou les polymères techniques.

Entre 1950 et 2017, selon l'Atlas du plastique de la fondation Heinrich Böll, 9,2 Gt (milliards de tonnes) de matières plastiques ont été produites. Sur plus de 400 Mt (millions de tonnes) produites chaque année dans le monde, contre 2 Mt en 1950, 158 Mt sont utilisées par le secteur de l'emballage. 40 % environ des produits en plastique sont jetés au bout de moins d'un mois[50].

La production mondiale de plastiques augmente régulièrement ; 1,5 Mt en 1950[51], 280 Mt en 2011[52], 311 millions de tonnes en 2014[53], 322 millions de tonnes en 2015[54]. La production mondiale de plastiques cumulée depuis 1950 se monte à 8,3 milliards de tonnes (6,3 sont des déchets, dont seuls 9 % ont été recyclés, 12 % ont été incinérés et 79 % accumulés dans des décharges ou dans la nature) et pourrait atteindre 25 milliards de tonnes d’ici à 2050, selon une étude publiée le 19 juillet 2017 dans la revue Science Advances[55]. Avec une production mondiale de ~54 Mt en 2001, le polyéthylène [(-CH₂-)_n] est un polymère de synthèse très consommé[56]. Les plus répandus sont le polypropylène [(-CH₂-CH(CH₃)-)_n], le polyéthylène, le poly(chlorure de vinyle) [(-CH₂-CH(Cl)-)_n], le polystyrène, le polyuréthane et le poly(téréphtalate d'éthylène) (PET, PETE).

Le PET et le poly(carbonate de bisphénol A) (PC, thermoplastique technique) connaissent une forte progression depuis les années 1990. La production totale du PET était de ~18 Mt en 2001.

La production de plastique a augmenté de 7,8 % en France de 2016 à 2017[57]. Chaque année, 11 200 tonnes de déchets plastique français sont déversés dans la mer Méditerranée[58]. Les rivières sont également atteintes par la pollution aux microplastiques[59]. Selon le commissariat général au développement durable, d'après PlasticsEurope (en 2019), 22 % des déchets plastiques du pays et 26 % des déchets d’emballages plastiques sont recyclés[60] ; et des mesures visant à réduire ou supprimer l’utilisation du plastique sont présentes dans le plan Biodiversité (2018), dans la loi pour la reconquête de la biodiversité (2016), dans la loi de transition énergétique pour la croissance verte (2015), etc. La feuille de route pour l’économie circulaire vise 100 % des déchets plastiques recyclés en 2025[60].

Demande européenne de plastiques par secteur en 2012.

La production mondiale de matières plastiques a progressé de 4,5 % par an en moyenne depuis 1990, selon les estimations de PlasticsEurope pour 2018. La planète consomme trois fois plus de plastique qu'il y a 25 ans, 200 fois plus qu'en 1950. Le potentiel de croissance dans les pays émergents est énorme : un Africain ou un Indien utilise en moyenne 4 kg de plastique par an, contre 60 à 80 kg pour un Européen ou un Américain, selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE). L'emballage est le principal débouché : 36 % de la consommation totale, suivi par la construction : 16 % et le textile : 15 %[61].

La consommation par habitant était de 92 kg de plastique en Europe occidentale en 2000. La consommation globale de plastique est passée de 5 Mt dans les années 1950 à presque 100 Mt en 2010[62].

Au sein de celle-ci, le plastique utilisé à des fins éphémères représente plus de 44 % du total ; les activités de packaging (emballage) forment la plus grande partie de cet usage « jetable » des plastiques et, au sein du packaging, le packaging à usage agroalimentaire représente plus de la moitié, en poids, du total[63].

En 2012, outre le packaging, les secteurs du bâtiment, de l'automobile, de l'électricité-électronique et de l'agriculture sont des forts consommateurs de plastiques[53].

Casque de sécurité.

Conteneurs pour vrac.

De nombreux secteurs d'activité utilisent les matières plastiques[64] :

• agriculture ;
• ameublement, articles de bureau ;
• articles ménagers et électroménagers ;
• emballage et manutention ;
• industries : du bois • chimique • électrique et électronique • métallique et métallurgique • papetière • des peintures, vernis et adhésifs (revêtements, mastics, insonorisants, etc.) • textile - vêtements et accessoires (casques…) ;
• jouets, loisirs et sports ;
• maroquinerie, chaussures et articles de voyage ;
• médecine, pharmacie et hygiène ;
• optique ;
• publicité (enseignes, panneaux) ;
• transports (automobile, ferroviaire, marine, aéronautique, aérospatial) ;
• travaux publics, génie civil et bâtiment ;
• etc.

Chaque année, plus de 10 millions de tonnes de plastiques finissent dans les mers et les océans ; en général, ils s'agglomèrent et forment sur le globe cinq gigantesques gyres ou « soupes de plastiques » ; une petite partie reste en surface, l'essentiel est rejeté sur les côtes ou sombre. Les microplastiques se retrouvent aujourd'hui dans tous les environnements aquatiques à travers le monde. Par ailleurs, leur production, qui a doublé en vingt ans, émet d'énormes quantités de gaz à effet de serre ; les projections indiquent que la production devrait à nouveau être multipliée par deux dans les vingt ans à venir et par quatre d'ici à 2050. D'après le Center for International Environmental Law, la production de plastique pourrait émettre 53,5 Gt (milliards de tonnes) de CO₂ d'ici à 2050, et 56 Gt en ajoutant l'incinération, ce qui représenterait près de 10 % des émissions totales à ne pas dépasser pour respecter l'Accord de Paris sur le climat[50].

Sous la pression des consommateurs, relayée par les industries utilisatrices de plastique, les producteurs de plastique cherchent des parades ; l'interdiction des sacs plastiques et des produits à usage unique, en particulier en Europe, ne concerneraient que 3 à 4 % de la demande mondiale de plastique, mais si la pression s'accroît encore et si le recyclage se développe fortement, la croissance annuelle du secteur du plastique pourrait se trouver potentiellement divisée par deux. En janvier 2019, une vingtaine de multinationales (productrices de matières plastiques, consommatrices d'emballages et acteurs de la gestion des déchets) ont lancé l'« Alliance to End Plastic Waste » (Alliance pour l'élimination des déchets plastiques) qui promet de dépenser au moins un milliard de dollars sur cinq ans pour financer des projets de collecte, de recyclage ou de nettoyage dans les pays émergents[61].

Si les écobilans des bouteilles et de nombreux objets sont complexes, de nombreux impacts sont reconnus.

• Les combustibles fossiles (pétrole en particulier) utilisés pour la fabrication des matières plastiques sont des sources importantes de gaz à effet de serre.
• La mise en œuvre d'une matière plastique utilise souvent des granulés industriels semi-finis. Une quantité importante de ces granulés plastiques se retrouve dans le milieu naturel. Cette matière plastique de synthèse est présente sur les plages de toutes les mers du globe[66]. Ces petites billes, cylindres ou pastilles de plastique, sont appelés poétiquement « larmes de sirène ». L'origine de ces granulés dans l'environnement est connue : les déversements accidentels, le transport ou les utilisations inappropriées sont en cause[67]. Une évaluation initiale de la présence de ces granulés[68] a été réalisée en France en 2011 pour le processus européen de la Directive-cadre Stratégie pour le milieu marin (DCSMM) et le Bon état écologique[69].
• De nombreux additifs toxiques (plomb, cadmium en particulier) ont été utilisés pour la fabrication de certaines matières plastiques courantes, telles le PVC. La directive 2000/53/EC de l'Union européenne en interdit désormais l'utilisation (plomb, cadmium, mercure, chrome VI).

• Des substances chimiques, en particulier présentes dans le plastique, seraient « au premier rang des accusés » de la chute de la qualité des spermatozoïdes (réduite de 50 % depuis 1950) et des maladies liées à l'appareil génital à travers les perturbateurs endocriniens. Le 25 novembre 2008, le gouvernement français (à travers l'IRESP, structure de recherche créée par l'INSERM et vingt partenaires, et l'AFSSA) a organisé un colloque sur le thème : « Environnement chimique, reproduction et développement de l'enfant ». Les principaux composés incriminés sont les phtalates et le bisphénol A (BPA)[70], deux substances présentes dans certaines matières plastiques.
• Parmi les additifs les plus controversés figure le bisphénol A, très présent dans les plastiques alimentaires et notamment dans 90 % des biberons en 2008. Le BPA est un perturbateur endocrinien. L'Association médicale américaine a publié en octobre 2008 une étude concluant qu'une hausse de la concentration de BPA dans l'urine augmentait de 39 % les risques de diabète et de maladie cardio-vasculaire. Au Canada, tous les biberons contenant du BPA ont été retirés du marché, en application du principe de précaution. En Europe, l'EFSA estime que les doses de BPA absorbées par les bébés sont trop faibles pour être dangereuses. Certains fabricants de biberons (Dodie, Philips AVENT) ont décidé en 2008 de fabriquer des biberons sans BPA mais commercialisés plus chers[71].
• L'émanation (relargage) de certains plastiques présents dans l'habitat urbain est connue[72].
• La combustion volontaire ou accidentelle de matières plastiques libère d'importantes quantités de fumées souvent épaisses et toxiques, ainsi dans certains cas que des produits tels les métaux lourds (plomb, cadmium, etc.) qui servaient à les stabiliser et/ou à les colorer. De nombreux fumigènes faits soi-même le sont avec du plastique, par exemple ceux à base de balles de ping-pong[73]. Selon les pompiers, « dix kilos de plastique qui brûlent, cela fait 25 000 mètres cubes de fumées »[74].

Déchets plastiques ingérés par un albatros, probablement à l'origine de sa mort.

Les plastiques, à la différence des polymères naturels, sont peu dégradables et mal biodégradés. Parmi les produits finaux de dégradation, certains de leurs additifs sont des perturbateurs endocriniens, et d'autres (métaux lourds, colorants ou stabilisants) sont toxiques et non biodégradables. Dans les années 1980, on a constaté que des milliards de petits fragments de plastiques (dont fils de nylon, rayonne, etc. perdus par les filets, mais aussi les textiles et fils de couture) étaient apportés en mer, jusque dans l'océan Austral, bien au sud de la convergence antarctique, en mer de Ross[75]. On en a depuis trouvé dans toutes les mers du globe. Les impacts environnementaux sont importants à moyen ou long terme, en particulier quand les plastiques se dégradent en petites particules et participent au transport de polluants organiques et organométalliques ou autres (pesticides, hydrocarbures…) qui peuvent être absorbés par les animaux filtreurs et les poissons et ainsi s'insérer dans la chaîne alimentaire[76].

Les plastiques flottants deviennent des déchets marins qui, même dans des zones éloignées (à plus de 2 000 milles marins du continent le plus proche pour les îles Midway), tuent des espèces protégées et menacées. Les sacs plastiques mangés par des tortues qui les confondent avec des méduses ne sont qu'un des exemples. Un autre problème est celui de nombreux albatros qui meurent, le gésier et l'estomac pleins de dizaines de jouets et objets en plastique, qu'ils ont ingéré en mer ou que leurs parents leur ont apportés au nid. Ces objets sont apportés par les parents à leurs poussins comme s'il s'agissait de nourriture (ils étaient couverts d'œufs ou d'organismes marins comestibles) et à la différence des os ou arêtes avalés par les oiseaux, ils ne peuvent être dissous par les sucs digestifs d'aucun animal, ni ressortir de l'estomac des poussins ou adultes qui finissent par en mourir. Les poussins d'albatros sont ainsi nombreux à mourir d'inanition après avoir ingéré parfois plusieurs dizaines d'objets en plastique (bouchons, morceaux de stylos, gadgets et autres jouets pour enfants, débris de récipients, etc.)[77].
Selon une étude publiée en 2011 par l'Institut océanographique de San Diego (Californie), on trouvait en 2009 des morceaux de plastique ingérés dans 1 poisson sur 10 dans le Pacifique Nord, et les poissons vivant aux profondeurs moyennes en ingèreraient 24 000 t/an environ[78].

Sur la rive nord de la Méditerranée, au large des grandes agglomérations, les déchets solides, constitués à 75 % de plastiques, polluent les fonds marins. La tortue marine, espèce en danger pour l'UICN, s'étouffe avec des sacs plastiques qu'elle prend pour des méduses[79].

La combustion de la plupart des matières plastiques libère de nombreux polluants et toxiques[80], en particulier lorsqu'il s'agit de PVC (organochloré)^{[réf. souhaitée]}.

En 2012, l'Union européenne plus la Norvège et la Suisse ont produit 25 millions de tonnes de déchets plastiques ; le taux (approximatif) de recyclage des plastiques est égal à 2 % au niveau mondial, à 25 % en Europe et à 20 % en France[81].

Le vortex de déchets du Pacifique nord (vortex ou gyre) contient une telle accumulation de plastique qu'il est surnommé le « septième continent ». Une étude du WWF parue en 2019 indique que la quantité de déchets plastiques accumulée dans l’océan pourrait doubler d’ici 2030 et atteindre 300 millions de tonnes[82].

Un autre phénomène, encore émergent, est la diffusion massive depuis les années 1990 de microplastiques et microbilles de plastique dans des centaines de produits cosmétiques, dentifrices, savons et shampoings, que l'on retrouve sous forme de déchets mal retenus par les stations d'épuration, dans les cours d'eau, les lacs et la mer^{[réf. souhaitée]}.

Le poisson et les fruits de mer sont une source importante de protéines pour les humains (6,1 % des protéines alimentaires dans le monde en 2007[83]). Les microplastiques ingérés par les poissons, mollusques bivalves et crustacés sont consommés par l'homme qui est situé en fin de réseau trophique. Selon un rapport commandé par le WWF à l'université de Newcastle (Australie), et publié en 2019, un individu moyen pourrait ingérer jusqu'à cinq grammes de plastique chaque semaine.

Plusieurs chercheurs s'intéressent à la biodégradation du plastique par des microorganismes[84]. En 2019, des chercheurs de l'université technique de Crète ont notamment découvert que des bactéries étaient capables de digérer le plastique. Ils utilisèrent pour cela deux types de plastiques altérés, du polyéthylène et du polystyrène, qu’ils introduisirent dans une solution salée contenant soit des bactéries pélagiques, soit des bactéries capables de vivre uniquement avec du plastique comme source de carbone. Les scientifiques ont suivi les matériaux durant 5 mois. Les résultats montrèrent que le poids du polyéthylène avait chuté de 7 % et celui du polystyrène de 11 %, donnant ainsi un espoir pour détruire efficacement la pollution plastique océanique et marine[85].

En 2019, l’ONG néerlandaise The Ocean Cleanup présente The interceptor, péniche autonome et fonctionnant à l'énergie solaire dont l'objectif est de récupérer les déchets présents dans les rivières à l'aide de flotteurs. Automatique, une fois les bennes remplies, le bateau les ramène vers un centre de tri. Deux prototypes sont expérimentés en Indonésie et en Malaisie[86].

Principe du recyclage : les matières thermoplastiques, à la différence des matières thermodurcissables ou des élastomères, peuvent être récupérées, broyées et transformées pour être réutilisées (ici en Chine).

Le recyclage est un procédé de traitement des matériaux qui permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des matériaux qui le composent.

Selon l'Atlas du Plastique de la Fondation Heinrich-Böll, sur les 9 200 Mt de plastiques produites entre 1950 et 2017, seules 600 Mt ont été recyclées ; 900 Mt ont été incinérées, 2 200 Mt sont en cours d'utilisation et 5 000 Mt ont été jetées. En 2017, seulement 14 % des emballages plastiques sont recyclés. La France est un des principaux consommateurs de plastique en Europe : elle en utilise 4,8 Mt par an, soit 70 kilogrammes par habitant. Les emballages sont le premier secteur consommateur de plastique (45 %) ; ils sont responsables de près de 60 % des 3,5 Mt de déchets plastiques produits chaque année, et leur taux de recyclage est de 26 %[50].

La problématique quant au recyclage des polymères provient essentiellement du fait que ces derniers sont rarement utilisés seuls. Pour faciliter la mise en forme, les procédés industriels ont souvent recours à des plastifiants et des charges. En effet, la fabrication d'une bouteille en plastique « recyclé » par exemple nécessite d'une part du plastique recyclé, et d'autre part du plastique vierge. Le pourcentage actuel de plastique recyclé dans une bouteille en plastique avoisine les 25 %[87]. Certaines marques comme Évian veulent atteindre un taux de 100 %[87]. D'autres entreprises (Coca Cola par exemple), sont parfois montrées du doigt car elles disent vouloir atteindre un certain taux alors qu'en réalité il semblerait qu'elles ne fassent aucun effort pour atteindre leur objectif[88]. Cependant, des nouveaux procédés permettent de recycler les polymères en fin de vie.

En raison de leur pouvoir calorifique élevé, ils permettent par incinération d'en obtenir une valorisation énergétique (production d'électricité ou de chaleur à usage industriel ou domestique). On peut aussi procéder par :

• traitement mécanique (lavage, tri, broyage, séparation) ;
• traitement thermochimique (solvolyse, pyrolyse, réaction chimique).

La plupart des emballages des produits de la vie quotidienne sont à base de matières plastiques. De nombreuses étapes de transformation du polymère sont pour cela nécessaires. Chaque opération ajoute une valeur au produit. La tendance constatée est que le coût de recyclage augmente considérablement si l'on désire un matériau d'une grande pureté.

Pour aider au recyclage des articles jetables, la Société de l'industrie plastique a conçu en 1988 un système de marquage par type de matière plastique, le code d'identification des résines. Un emballage utilisant ce système est marqué d'un triangle fléché à l'intérieur duquel se trouve un numéro indiquant le type de plastique utilisé :

1. PET ou PETE : poly(téréphtalate d'éthylène) : utilisé habituellement pour les bouteilles d'eau minérale, de sodas et de jus de fruits, les emballages, les blisters, les rembourrages. Sa dangerosité pour la santé fait débat. Une étude a suggéré que le plastique des bouteilles libère dans l'eau des perturbateurs endocriniens[89], or les conclusions et la méthodologie de cette étude ont été contestées par d'autres experts et des agences de sécurité alimentaire[90] ;
2. HDPE ou PEHD : polyéthylène haute densité : certaines bouteilles, flacons, et plus généralement emballages semi-rigides. Considéré comme sans danger pour l'usage alimentaire ;
3. V ou PVC : polychlorure de vinyle : utilisé pour les canalisations, tubes, meubles de jardin, revêtements de sol, profilés pour fenêtre, volets, bouteilles de détergents, toiles cirées. Potentiellement dangereux pour l'usage alimentaire (peut contenir des dioxines, du bisphénol A, du mercure, du cadmium) ;
4. LDPE ou PEBD : polyéthylène basse densité : bâches, sacs poubelles, sachets, films, récipients souples. Considéré comme sans danger pour l'usage alimentaire ;
5. PP : polypropylène : utilisé dans l'industrie automobile (équipements, pare-chocs), jouets, et dans l'industrie alimentaire (emballages). Considéré comme sans danger pour l'usage alimentaire ;
6. PS : polystyrène : plaques d'isolation thermique pour le bâtiment, barquettes alimentaires (polystyrène expansé), couverts et gobelets jetables, boitiers de CD, emballages (mousses et films), jouets, ustensiles de cuisine, stylos, etc. Dangereux, notamment en cas de combustion (contient du styrène) ;
7. OTHER ou O : tout plastique autre que ceux nommés de 1 à 6. Inclut par exemple les plastiques à base de polycarbonate ; les polycarbonates de bisphénol A sont potentiellement toxiques.

À partir de 2018, des pays en développement comme la Chine et l'Indonésie refusent l'importation de déchets plastiques destinés au recyclage[91].

• Nathalie Gontard, Plastique. Le Grand emballement, Stock, 2020, 220 p. (ISBN 978-2-234-08848-1)
• Rémi Deterre et Gérard Froyer, Introduction aux matériaux polymères, Paris, Tec & Doc Lavoisier, 1997, 212 p. (ISBN 2-7430-0171-2)
• Michel Fontanille et Yves Gnanou, Chimie et physico-chimie des polymères, Paris, Dunod, coll. « Sciences Sup », 2014, 3^e éd., 576 p. (ISBN 978-2-10-058915-9)
• René Bourgeois, Henri Chauvel et Jacques Kessler, Génie des matériaux, Paris, Casteilla, coll. « Mémotech », 2011, 2^e éd., 536 p. (ISBN 978-2-7135-3326-6)
• (en) Russell J. Crawford, Plastics Engineering, Oxford UK/Woburn (Mass.), Butterworth-Heinemann, 1998, 3^e éd., 352 p. (ISBN 0-7506-3764-1)

• Fondation Heinrich-Böll, « Atlas du Plastique », sur Heinrich-Böll-Stiftung., 3 mars 2020
• Nicolas Martin, « Un monde sans plastique est-il possible ? », sur La Méthode Scientifique, 31 janvier 2018, sur France Culture.
• Liste des abréviations de nombreux polymères, sur atomer.fr (consulté le 29 décembre 2013).
• (en) Engineering Training Services, Base de données sur les matières plastiques et autres matériaux, sur ets-corp.com (consulté le 29 décembre 2013).
• Stéphane Blais, Bâtir des routes avec des sacs de plastique au Niger, sur muvmedia.com, 21 décembre 2007 (consulté le 29 décembre 2013).
• Matweb.com, base de données sur les matériaux et leurs propriétés mécaniques, thermiques, etc.

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