Le polyéthylène, préparé par polymérisation de l’éthylène, est la matière plastique la plus utilisée. Il se présente sous forme de polyéthylène haute densité, basse densité ou linéaire à basse densité obtenu, pour ce dernier, par copolymérisation avec principalement du but-1-ène. Il peut aussi être préparé avec du bioéthylène obtenu par déshydratation du bioéthanol provenant de la fermentation du sucre de canne à sucre. Il est très employé dans les emballages. Les polyéthylènes basse densité et linéaire donnent des produits souples (films, tuyaux…), le polyéthylène haute densité donnant des produits rigides.
Polyéthylène est un nom générique employé pour décrire les polyoléfines issues de la polymérisation de l’éthylène (voir ce chapitre). Il existe de nombreux types de polyéthylènes et principalement trois grandes familles qui se définissent en fonction de leur masse volumique :
Le polypropylène (voir ce chapitre) est l’autre polyoléfine.
Le PE-BD a été découvert en 1933 dans les laboratoires de I.C.I. par E. Fawcett et R. Gibson. Le procédé employé utilisait des hautes pressions et le dioxygène comme catalyseur.
La découverte du PE-HD sous la forme d’un polyéthylène linéaire, appelé PE-L, date des années 50 et est due à quatre équipes appartenant à trois laboratoires différents. En 1945, Bailey et Reid de la Phillips Petroleum Company utilisent un catalyseur à base d’oxyde de nickel et d’oxyde de chrome. En 1950, Zletz de la Standard Oil of Indiana met au point un catalyseur à base d’oxyde de molybdène. En 1951, Hogan et Banks de la Phillips Petroleum Company améliorent le procédé existant par l’utilisation d’oxyde de chrome et d’oxyde d’aluminium. Enfin en 1953, Karl Ziegler (prix Nobel en 1963 avec Giulio Natta), à l’Institut Max Planck, met au point un procédé basse pression utilisant un catalyseur appartenant à la famille de catalyseurs dits de Ziegler-Natta.
Le PE-BD (ou PE-BDR pour polyéthylène à basse densité radicalaire) est obtenu par polymérisation radicalaire, à haute pression, de l’éthylène d’une pureté supérieure à 99,9 %. Deux procédés sont utilisés :
La réaction est exothermique (3 370 J/g de polymère). Les amorceurs de polymérisation sont des peroxydes et peresters organiques ou le dioxygène. Le milieu réactionnel est constitué d’une solution de polymère et de monomère qui comprend aussi les agents de transfert (hydrocarbures saturés), les amorceurs et leurs solvants et éventuellement les co-monomères. Les macromolécules obtenues ne sont pas parfaitement linéaires et elles comprennent des branchements courts et des branchements longs ainsi que des insaturations. Leur masse moléculaire est comprise entre 10 000 et 30 000 g/mol (de 300 à 1000 unités monomériques).
Le PE-HD et le PE-BDL sont obtenus par polymérisation cationique catalysée de l’éthylène, en présence de dihydrogène pour contrôler la longueur des chaînes de polymère.
Pour l’obtention de ces deux types de polyéthylènes, on utilise principalement les catalyseurs Ziegler-Natta, les catalyseurs au chrome (Phillips) ou les catalyseurs métallocènes.
On distingue deux types de procédés d’obtention, l’un en suspension ou en solution en présence d’un solvant, l’autre en phase gazeuse en lit fluidisé.
On distingue, par exemple :
La société brésilienne Braskem exploite, au Brésil, à Triunfo, dans l’État du Rio Grande du Sud, depuis 2011, une usine de production de polyéthylène élaboré à partir d’éthylène obtenu par déshydratation de bioéthanol, lui même obtenu par distillation, après fermentation, de canne à sucre. La capacité de production est de 200 000 t/an. Un hectare produit 82,5 t de canne à sucre donnant 7 200 litres d’éthanol déshydraté en 3,08 t d’éthylène donnant 3 t de polyéthylène. La réaction de déshydratation de l’éthanol est la suivante :
CH3CH2OH = CH2=CH2 + H2O
Cette réaction, catalysée par de l’alumine, peut être réalisée à une température supérieure à 170°C.
En 2019, la capacité de production mondiale est de 114,43 millions de t/an dont, en 2016, 24,5 millions de t/an pour le PE-BD, 34 millions de t/an pour le PE-BDL et 49 millions de t/an pour le PE-HD.
En 2018, la production Nord-Américaine (États-Unis et Canada) est de 21,407 millions de t dont 3,480 millions de t de PE-BD, 8,328 millions de t de PE-BDL et 9,599 millions de t de PE-HD.
En 2018, la production chinoise de polyéthylène est de 15,835 millions de t, les importations de 14,024 millions de t, à 48,0 % de PE-HD, 31,1 % de PE-BDL et 20,9 % de PE-BD et les exportations négligeables avec 0,226 million de t.
En 2018-19, la production de l’Inde est de 5,147 millions de t dont 614 000 t de PE-BD, 2,144 millions de t de PE-BDL et 2,389 millions de t de PE-HD. En 2019, la production de la Corée du Sud est de 5,047 millions de t dont 2,920 millions de t de PE-BD et BDL et 2,127 millions de t de PE-HD. La production thaïlandaise, en 2019, est de 3,927 millions de t dont 549 000 t de PE-BD, 1,611 million de t de PE-BDL et 1,767 million de t de PE-HD. La production japonaise, en 2018, est de 2,467 millions de t de polyéthylène dont 1,610 million de t de PE-BD et BDL et 857 000 t de PE-HD. La capacité de production, en 2018, de Singapour est de 2,36 millions de t/an de polyéthylène. La production de Taipei chinois, en 2019, est de 1,273 million de t de polyéthylène dont 655 000 t de PE-BD et BDL et 618 000 t de PE-HD.
Productions de l’Union européenne, en 2019, sur un total de 11,849 millions de t :
PE-BD | PE-BDL | PE-HD | |||
Total | 3 949 806 | 1 961 860 | 5 937 456 | ||
Allemagne | ? | 239 482 | 1 782 218 | ||
Belgique | 555 226 | 82 748 | 1 095 995 en 2016 | ||
France | 522 390, en 2018 | 841 347 | 185 803 en 2013 | ||
Italie | 349 010 | 320 589 | 470 945 | ||
Royaume Uni | 11 067 | 31 336 | 15 806 | ||
Bulgarie | 24 970 | 0 | 14 607 | ||
Espagne | 622 851 | ? | 544 003 | ||
Pays Bas | 723 278 | 95 325, en 2018 | 452 140, en 2018 | ||
Slovaquie | 155 348 | 0 | 0 | ||
Portugal | 150 763 | ? | 137 382 | ||
Hongrie | 65 092, en 2017 | 71 606 | 293 658 |
Source : Eurostat
Les productions notées ? sont confidentielles.
Commerce international : en 2019, pour les polyéthylènes haute et basse densité, sous formes primaires, sur un total de 46,227 millions de t, en 2018.
Principaux pays exportateurs :
Arabie Saoudite | 9 500 | Thaïlande | 2 131 | |
États-Unis | 6 023 | Corée du Sud | 2 009 | |
Singapour | 2 831 | Allemagne | 1 880 | |
Belgique | 2 800 | Canada | 1 727 | |
Iran | 2 522 | Émirats Arabes Unis | 1 696 |
Source : ITC
Les exportations de l’Arabie Saoudite sont destinées principalement pour 21 % à la Chine, 19 % à Singapour, 7 % à la Malaisie.
Principaux pays importateurs :
Chine | 11 429 | Italie | 1 634 | |
Allemagne | 2 158 | Vietnam | 1 588 | |
Belgique | 1 930 | Turquie | 1 444 | |
Singapour | 1 909 | Malaisie | 1 362 | |
États-Unis | 1 801 | Inde | 1 232 |
Source : ITC
Les importations chinoises proviennent principalement à 22 % d’Arabie Saoudite, 20 % d’Iran, 10 % des Émirats Arabes Unis, 9 % de Corée du Sud.
Principaux producteurs : en 2019.
ExxonMobil | 10 600 | Petrochina, en 2018 | 5 062 | |
Dow | 9 800 | Chevron Phillips | 4 385 | |
Sinopec, en 2018 | 8 140 | Braskem (Brésil) | 3 770 | |
Borealis/Borouge/Nova | 6 820 | Ineos | 3 289 | |
Sabic | 6 380 | National Petrochemicals (Iran), en 2017 | 2 900 | |
LyondellBasell | 5 840 | Total | 2 223 |
Sources : Borealis et rapports des sociétés
Principaux producteurs européens et sites de production, en 2019 :
Producteurs | Capacité annuelle totale | Sites | PE-HD | PE-BD | PE-BDL |
LyondellBasell | 2 470 | Berre (13) | 320 | ||
Wesseling (Allemagne) | 770 | 430 | |||
Francfort (Allemagne) | 230 | ||||
Muenchsmuenster (Allemagne) | 320 | ||||
Plock (Pologne) à 50 % | 400 | ||||
Ineos | 2 100 | Lavéra (13) | 230 | ||
Sarralbe (57) | 195 | ||||
Cologne (Allemagne) | 400 | 230 | |||
Bamble (Norvège) | 158 | ||||
Lillo (Belgique) | 440 | ||||
Rosignano (Italie) | 200 | ||||
Grangemouth (Royaume Uni) | 330 | ||||
Dow | 2 100 | Terneuzen (Pays Bas) | 265 | 610 | |
Schkopau (Allemagne) | 160 | ||||
Tarragone (Espagne) | 190 | 95 | 300 | ||
Borealis | 1 920 | Schwechat (Autriche) | 545 | ||
Burghausen (Allemagne) | 175 | ||||
Porvoo (Finlande) | 390 | ||||
Geleen (Pays Bas) | 120 | ||||
Stenungsund (Suède) | 700 | ||||
Sabic | 1 750 | Geleen (Pays Bas) | 280 | 590 | |
Teeside (Royaume Uni) | 400 | ||||
Gelsenkirchen (Allemagne) | 250 | 350 | |||
Versalis (ENI) | 1 650 | Brindisi (Italie) | 500 | 500 | |
Dunkerque (59) | 340 | ||||
Oberhausen (Allemagne) | 140 | ||||
ExxonMobil | 1 200 | Anvers (Belgique) | 400 | ||
Meerhout (Belgique) | 500 | ||||
Notre Dame de Gravenchon (76) | 400 | ||||
Total | 1 120 | Gonfreville (76) | 240 | ||
Carling (57) | 210 | ||||
Anvers (Belgique) | 470 | ||||
Feluy (Belgique) | 170 | ||||
Repsol | 900 | Puertollano (Espagne) | 90 | 60 | |
Tarragona (Espagne) | 145 | 195 | |||
Sines (Portugal) | 130 | 145 |
Sources : Borealis et rapports des sociétés
Le polyéthylène est le polymère le plus consommé dans le marché de l’emballage plastique. En France il représente 70 % de la part de la consommation globale. Vu l’ampleur de sa diffusion, le polyéthylène pose de sérieux problèmes d’environnement et le problème de sa dégradation ou de son recyclage est posé. Il existe dans la nature des bactéries qui sont capables de dégrader les macromolécules de PE mais elles ne peuvent le faire qu’en s’y prenant par une extrémité de la macromolécule et l’on comprend alors que cela prenne du temps de dégrader des entités qui comprennent jusqu’à 100 000 unités monomériques. Pour les sacs plastiques une des solutions possibles est d’inclure, par copolymérisation dans les chaînes de polymères, des motifs facilement attaquables par les bactéries (des morceaux de chaîne d’amidon par exemple). Ceci leur permet de tronçonner le polymère en de plus petites sous-unités qui sont plus rapidement éliminées.
En France, SITA Recyclage, filiale de Suez Environnement, recycle des films agricoles et industriels, à Viviez (12), Landemont (49), Ponchon (60). Ces films, en grande partie de polyéthylène, sont déchiquetés, prélavés, broyés, lavés, essorés et séchés, extrudés et granulés. Le recyclage concerne 40 000 t/an destinées à l’élaboration de films industriels et de sacs de collecte.
Veolia est également un acteur important.
Paprec recycle 200 000 t/an de matières plastiques dont du polyéthylène à La Neuve-Lyre (27), Saint-Herblain (44), Mazières en Mauge (49), Trémentines (49), Verdun (55), Cahors (46) et Elven (56). La filiale MPB, située à Chalon sur Saône (71), est spécialisée dans le recyclage du PE-HD.
Productions et commerce extérieur :
PE-HD | PE-BD | PE-BDL | |||
Productions | 185 803 t, en 2013 | 522 390 t, en 2018 | 841 347 t, en 2019 | ||
Exportations, en 2019 | 336 623 t | 336 705 t | 199 769 t | ||
Importations, en 2019 | 495 429 t | 397 750 t | 182 749 t |
Sources : Eurostat et Douanes françaises
Destination des exportations, en 2019 :
Origine des importations, en 2019 :
Producteurs et unités de production :
Consommation : c’est la principale matière plastique consommée dans le monde. En 2016, sur un total de 243 millions de t, le PE-HD a représenté 17 %, le PE-BDL 12 %, le PE-BD 9 %. En Europe (Union européenne, Norvège et Suisse), en 2016, sur un total de 60 millions de t, les PE-BD et BDL ont représenté, en 2018, 17,5 % de la consommation de matières plastiques, le PE-HD, 12,2 %.
La consommation a porté, en 2017, dans le monde, sur 95 millions de tonnes de polyéthylène, réparties en 45 % de PE-HD, 32 % de PE-BDL et 23 % de PE-BD.
En 2016, 35 % de la consommation a été réalisée en Asie du Nord-Est, 17 % en Amérique du Nord, 13 % en Europe de l’Ouest, 7 % au Moyen Orient, 6 % dans le sous-continent indien, 5 % en Amérique du Sud, 4 % en Afrique…
La consommation chinoise a été, en 2018, de 30,727 millions de t.
Secteurs d’utilisation : dans le monde, en 2016, sur un total de 92 millions de t.
Films et feuilles | 53 % | Fils et câbles | 2 % | |
Moulage par injection | 13 % | Moulage par rotation | 2 % | |
Moulage par soufflage | 12 % | Raphia | 1 % | |
Tuyaux et profilés | 7 % | Fibres | 1 % | |
Extrusion et revêtements | 2 % |
Source : PTT PM
Le polyéthylène basse densité (PE-BD et PE-BDL) est plutôt utilisé pour élaborer des films et des isolants électriques. Il est le matériau préféré pour préparer des produits « souples » : films adhésifs, films agricoles, sachets, sacs poubelle, jouets, tuyaux, bouteilles souples (ketchup, moutarde…)…
Le polyéthylène haute densité est plutôt utilisé pour fabriquer des emballages rigides de lait, de produits chimiques et de détergents, des tuyaux pour canalisations…
C’est à la seconde guerre mondiale et à l’invention du radar par Sir Robert Watson-Watt, dans les années 30, que le polytéthylène doit son essor. On avait en effet besoin d’un isolant électrique performant pour protéger les câbles coaxiaux présents dans ces appareillages qui constituèrent une pièce maîtresse du système de défense des îles britanniques.
Le procédé « Gel-spin » mis au point par DSM en 1979 permet de fabriquer des fibres de polyéthylène en orientant parallèlement les chaînes de polymères désenchevêtrées par dissolution dans un solvant et passage dans une filière. Cette organisation donne à la fibre des performances remarquables : 15 fois plus résistante que l’acier, la fibre est utilisée pour la protection (casques et gilets pare-balles : le casque des forces françaises en Bosnie a été fabriqué à Châtillon sur Chalaronne (01) par l’entreprise MSA Gallet), pour les cordages, les filets, les articles de sports, les gants et pantalons de protection. Concurrencée par les fibres aramides (Kevlar) et les fibres de polyamide et de polyester, la fibre de polyéthylène est plus légère pour des performances supérieures.
Les matières plastiques sont des matériaux obtenus par polymérisation de composés (éthylène, propylène, styrène...) issus principalement du vapocraquage d'hydrocarbures eux-même provenant de la distillation du pétrole. Il en existe de très nombreux types qui se présentent sous des formes variées. Leur production a connu un développement considérable à partir de la deuxième partie du XXème siècle.
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