Polystyrène (PS) : propriétés, utilisations et mise en œuvre

Produits médicaux et de laboratoire

Le PS cristal est clair, rigide et facile à mouler avec des tolérances serrées, ce qui en fait le matériau de référence du matériel de laboratoire à usage unique : boîtes de Petri, tubes à essai, flacons de culture, pipettes et microplaques de diagnostic. Ces produits sont livrés stériles. Le PS supporte la stérilisation par rayonnement gamma ou à l’oxyde d’éthylène, mais pas à la vapeur en autoclave, car il ramollit en dessous de 100 °C.

Les feuilles de PS choc sont thermoformées en plateaux et en blisters pour les dispositifs médicaux et l’emballage pharmaceutique, où elles apportent rigidité et résistance au choc à faible coût. Le PS étant attaqué par de nombreux solvants organiques et peu résistant à la chaleur, il n’est pas utilisé pour les équipements de génie chimique ni pour d’autres usages fortement corrosifs.

Industrie automobile

Dans l’industrie automobile, le PS sert principalement aux boîtiers de tableau de bord, aux cabochons de feux et aux composants d’éclairage. Le polystyrène peut aussi être expansé pour produire des matériaux d’emballage et d’isolation thermique, utilisés notamment dans les pavillons de toit. En outre, le PS est souvent modifié ou copolymérisé par greffage avec d’autres matériaux pour obtenir divers alliages plastiques de la famille du PS. Les copolymères styrène-anhydride maléique (SMA), par exemple, sont couramment utilisés pour fabriquer les armatures de tableau de bord.

Appareils électriques

Le PS associe une excellente transparence à de bonnes propriétés isolantes, ce qui le rend adapté aux composants et aux boîtiers de téléviseurs, de magnétophones et de divers appareils électriques, ainsi qu’aux condensateurs haute fréquence.

Produits transparents

Grâce à son excellente transparence, le PS est idéal pour les instruments d’optique courants, les maquettes transparentes, les globes et diffuseurs d’éclairage, les boîtiers d’instruments et les emballages.

Articles de la vie courante

Facile à colorer et très brillant, le PS est largement utilisé pour les articles de la vie courante : jouets pour enfants, panneaux décoratifs, boîtiers de cassettes, poignées de meubles, peignes, manches de brosses à dents, corps de stylos et articles de papeterie.

Matériaux d’emballage

Les mousses de PS offrent une excellente absorption des chocs et une bonne isolation thermique, ce qui les rend adaptées aux emballages antichocs et aux matériaux d’isolation. Les emballages servent surtout aux appareils électriques, aux instruments de précision, aux objets artisanaux, aux articles en verre et aux céramiques ; les matériaux d’isolation comprennent les panneaux de cloison et les panneaux sandwich de toiture.

Polymérisation en masse

Le styrène est polymérisé sous atmosphère de gaz inerte, à une température régulée de 60–90 °C, avec du peroxyde de benzoyle comme amorceur, ce qui donne une résine transparente en bloc. Cette résine se distingue par sa grande pureté, sa bonne transparence et sa brillance.

Polymérisation en émulsion

En présence d’un amorceur, une émulsion aqueuse de monomère styrène est polymérisée à 80–95 °C. Le polymère est ensuite séparé de la liqueur mère et transformé en résine en poudre. Le produit final présente une tenue à la chaleur légèrement meilleure que la résine polymérisée en masse, mais une isolation électrique et une transparence un peu inférieures.

Modification par compoundage

Elle consiste à mélanger mécaniquement deux matériaux polymères ou plus avec des matières inorganiques et des additifs, afin d’obtenir un matériau plus homogène sur le plan mécanique et doté de meilleures propriétés thermiques et optiques.

Caractéristiques de la modification par compoundage :

La modification par compoundage demande peu d’investissement et un cycle de production court, ce qui en fait une voie essentielle de modification du PS. C’est non seulement une méthode importante de modification des polymères, mais aussi un moyen majeur de développer de nouveaux matériaux.

PS/PE

Le polyéthylène (PE) présente une excellente souplesse et une bonne résistance au choc, qui contribuent à améliorer la ténacité du PS. Le PS et le PE étant toutefois des polymères incompatibles, il faut ajouter un compatibilisant lors du compoundage.

Il existe deux méthodes de mélange PS/PE : le mélange réactif et le mélange non réactif.

Dans les études de mélange réactif, du PS réactif (RPS), du PE chloré (CPE), du PE et du PS sont introduits simultanément dans une extrudeuse bivis pour être mélangés à l’état fondu et extrudés, ce qui donne un mélange de PS modifié.

PS/PP

Le polypropylène (PP) est plus tenace que le PS et présente une meilleure tenue à la chaleur. Le mélange PP/PS permet donc d’améliorer les propriétés thermiques du PS.

Le PP et le PS étant incompatibles, un compatibilisant est nécessaire. L’utilisation de silice traitée en surface dans le système PS/PP renforce l’adhésion interfaciale entre les polymères et améliore la résistance à la traction de l’ensemble. L’association de PS réactif (RPS) et de polypropylène greffé anhydride maléique (MPP) assure également une bonne compatibilisation réactive des mélanges PS/PP.

PS/PC

Le polycarbonate (PC) offre d’excellentes propriétés, notamment une bonne résistance au fluage et une transmission de la lumière visible supérieure à 90 %. Son indice de réfraction est proche de celui du PS et il peut être mélangé au PS pour en améliorer la stabilité thermique, la résistance et la ténacité.

Dans les mélanges PS/PC partiellement compatibles, la contrainte interfaciale se répartit de façon homogène et continue sous l’effet des sollicitations extérieures, ce qui provoque la formation de craquelures et de bandes de cisaillement qui améliorent les propriétés mécaniques du mélange.

Modification par copolymérisation

La modification par copolymérisation est l’une des principales méthodes de modification du PS. En copolymérisant le monomère styrène avec un second monomère, on introduit des groupes flexibles qui préservent les excellentes propriétés d’origine du PS tout en améliorant sa ténacité et sa mise en œuvre. Les principales méthodes sont la copolymérisation avec des α-oléfines et la copolymérisation par greffage.

1. Copolymérisation avec des α-oléfines

Le PS est peu compatible avec les polyoléfines en mélange, mais leur copolymérisation permet d’obtenir des produits à la fois rigides et tenaces. Le second monomère est généralement une α-oléfine. La copolymérisation du styrène avec ce second monomère sur catalyseur métallocène conserve la rigidité du PS tout en augmentant sa souplesse.

2. Copolymérisation par greffage

Sur catalyseur métallocène, le styrène est copolymérisé avec un dérivé boré du styrène ; les groupes borés du produit sont ensuite oxydés en groupes hydroxyle, qui servent de sites de greffage.

Une série de copolymères greffés du PS a été synthétisée par polymérisation radicalaire par transfert d’atome (ATRP), ce qui permet la fonctionnalisation du polystyrène. La densité de greffage et la longueur des chaînes se règlent en ajustant le taux de bromation et la quantité de monomère ajoutée.

Grâce à des réactions de transfert de chaîne in situ, des copolymères greffés du PS porteurs de groupes polaires terminaux ont été synthétisés dans des conditions réactionnelles et avec des systèmes catalytiques appropriés, ce qui permet la fonctionnalisation du PS.

Modification par nanoparticules inorganiques

Les nanoparticules inorganiques présentent des effets de surface, des effets de volume et des effets quantiques de taille qui leur confèrent des propriétés très différentes de celles des poudres classiques et des matériaux massifs. En compoundant des nanomatériaux inorganiques avec le PS dans des conditions de procédé spécifiques, on peut fortement améliorer la résistance, la ténacité, la tenue à la chaleur et la résistance à l’usure du polymère. Les composites PS/nanoparticules inorganiques se préparent principalement selon les méthodes suivantes :

1. Mélange à l’état fondu

Des nanoparticules modifiées sont ajoutées à la résine fondue, puis le mélange est malaxé et mis en forme pour obtenir le composite. Les nanoparticules ayant tendance à s’agglomérer et se dispersant difficilement de façon homogène, leur traitement de surface avant mélange est essentiel.

Les composites PS/nanoparticules préparés par mélange mécanique présentent une nette amélioration de la résistance à la traction, de la résistance au choc sur éprouvette entaillée et des propriétés d’écoulement à chaud.

2. Mélange en solution

La résine de base est dissoute dans un solvant approprié, puis on y ajoute les nanoparticules. Après une agitation prolongée assurant une dispersion homogène, le solvant est éliminé pour obtenir le composite.

Des nanotubes de carbone multiparois (MWNT) traités par oxydation acide sont dispersés dans une solution de tétrahydrofurane, puis on ajoute le PS. Après 3 heures de traitement aux ultrasons, on obtient des composites conducteurs PS/MWNT. Cette méthode augmente le module de conservation et la conductivité du matériau.

3. Polymérisation in situ

Des nanoparticules traitées en surface sont ajoutées au monomère et mélangées de façon homogène. Dans des conditions appropriées, on amorce la polymérisation pour préparer des composites PS/nanoparticules.

Les nanocomposites PS/vermiculite préparés in situ présentent des températures de décomposition nettement plus élevées que le PS pur.

Bien que diverses méthodes de modification du PS aient été mises au point, les performances globales des produits modifiés et la compréhension des mécanismes de modification restent à améliorer. En effet, la résistance au choc, la tenue à la chaleur, la résistance chimique et l’aptitude à la mise en œuvre des produits modifiés doivent satisfaire à des exigences plus élevées pour élargir les applications des matériaux à base de PS modifié.