Le PVC est omniprésent. On le trouve dans les canalisations sous votre évier, dans le revêtement de sol sous vos pieds et dans l'isolant de vos câbles électriques. Avec une production mondiale atteignant 60 millions de tonnes par an, le PVC se classe au troisième rang des plastiques les plus produits au monde.
La plupart des gens achètent des produits en PVC sans y réfléchir à deux fois. Ils ne se demandent pas comment ce matériau passe des matières premières à la poudre blanche que les fabricants transforment en tuyaux, cadres de fenêtres et tubes médicaux.
Quelles sont les matières premières utilisées pour fabriquer la résine PVC ?
La résine PVC se présente sous forme de poudre blanche fluide, dont les particules en suspension mesurent de 50 à 200 micromètres de diamètre. Les résines sont classées selon leur indice K, un paramètre dérivé de la viscosité, allant approximativement de K55 à K72. Les résines à indice K élevé sont utilisées pour la fabrication de tubes rigides et de profilés en PVC non plastifié, tandis que les résines à indice K faible servent à la fabrication de films souples et de câbles. Le marché mondial est divisé en trois procédés de production : la polymérisation en suspension représente environ 80 %, la polymérisation en émulsion 12 % et la polymérisation en masse 8 %. différentes qualités de résine PVC avec un comportement de mélange distinct. Cette poudre finie est ce que vous obtenez à la fin. Maintenant, regardez ce qui entre en jeu.
Le PVC est composé à partir de deux ingrédients principaux : le chlore et le carbone.
- Le chlore (57 % du PVC) provient du sel de table ordinaire. Les fabricants utilisent un procédé d'électrolyse de l'eau salée qui produit du chlore gazeux pur, prêt pour les réactions chimiques.
- Le carbone (43 % du PVC) provient du pétrole ou du gaz naturel. Les raffineries extraient l'éthylène, un hydrocarbure de base, par craquage thermique du pétrole brut ou des liquides de gaz naturel.
Imaginez que vous préparez du pain. Il vous faut de la farine et de l'eau dans des proportions précises. Le PVC a besoin de chlore et de carbone dans un rapport précis de 57/43.
Cette composition à deux ingrédients confère au PVC un caractère unique parmi les plastiques. Alors que le polyéthylène et le polypropylène sont entièrement dérivés du pétrole, le PVC tire plus de la moitié de son poids du sel. Il s'agit du sel gemme, celui qu'on utilise pour déneiger les trottoirs.
Comment est fabriquée la résine PVC étape par étape ?
La production de résine PVC, également appelée fabrication de polychlorure de vinyle, se déroule en cinq étapes distinctes. Le procédé de fabrication du PVC transforme progressivement les matières premières à chaque étape jusqu'à l'obtention de la poudre blanche caractéristique. La fabrication du PVC repose sur l'enchaînement de cinq réactions, chacune alimentant la suivante.
Étape 1 : Production de dichlorure d'éthylène (EDC)
Le dichlorure d'éthylène est le premier élément de base. Les fabricants le produisent en combinant du chlore avec de l'éthylène dans de grands réacteurs.
Deux méthodes permettent d'obtenir le résultat escompté. La chloration directe consiste à mélanger du chlore gazeux pur avec de l'éthylène à des températures modérées. L'oxychloration recycle le chlorure d'hydrogène (un sous-produit des étapes ultérieures) avec de l'éthylène et de l'oxygène.
La plupart des installations utilisent les deux méthodes conjointement. L'oxychloration permet de récupérer et de réutiliser des matières qui seraient autrement gaspillées. Une usine bien conçue ne gaspille quasiment rien.
L'EDC obtenu est un liquide incolore. Son apparence est anodine, mais il contient tous les atomes nécessaires à la formation des chaînes de PVC.
Étape 2 : Création du monomère de chlorure de vinyle (VCM)
Le craquage thermique transforme l'EDC en monomère de chlorure de vinyle, élément constitutif essentiel du PVC.
Imaginez casser un œuf pour en extraire le contenu. Le processus de décomposition des EDCA est similaire. Les fabricants chauffent les EDCA à des températures extrêmes (entre 480 °C et 510 °C) sous une pression de 20 à 22 bars. Dans ces conditions, les molécules d'EDCA se dissocient.
Chaque molécule d'EDC se décompose en une molécule de chlorure de vinyle et une molécule de chlorure d'hydrogène. Le chlorure de vinyle est transformé en PVC. Le chlorure d'hydrogène retourne à l'étape 1 pour l'oxychloration. Rien n'est gaspillé.
Le four de craquage ne convertit qu'environ 50 % de l'EDC à chaque passage. L'EDC non transformé est recyclé.
Le VCM est un gaz incolore à l'odeur légèrement sucrée. C'est le monomère, l'unité de base qui se lie des milliers de fois pour former des chaînes polymères de PVC.
Étape 3 : Polymérisation du VCM en résine PVC
C’est lors de la polymérisation que la magie opère. Les molécules individuelles de VCM s’assemblent pour former de longues chaînes, créant ainsi le polymère PVC.
Environ 80 % de la production mondiale de PVC utilise la polymérisation en suspension.C'est la méthode qui a fait ses preuves.
Le procédé débute par l'injection de VCM liquéfié dans un grand réacteur rempli d'eau. Des agents de suspension et des initiateurs chimiques y sont ajoutés. Le réacteur est ensuite scellé et chauffé à une température de 40 à 60 °C sous une pression de quelques bars.
À l'intérieur du réacteur, de minuscules gouttelettes de VCM flottent dans l'eau, semblables à des gouttelettes d'huile dans une vinaigrette. Les initiateurs déclenchent une réaction en chaîne. Les molécules de VCM s'assemblent pour former des chaînes polymères de plus en plus longues. Chaque gouttelette se transforme ainsi en une minuscule particule de PVC.
Voici comment se forment les chaînes de PVC : chaque molécule de VCM s’emboîte sur la chaîne en croissance comme une brique LEGO, construisant ainsi un ensemble bien plus grand que la somme de ses parties. Une seule chaîne de PVC peut contenir des milliers d’unités monomères liées entre elles.
La réaction se déroule pendant plusieurs heures. Lorsque la conversion atteint environ 90 %, les opérateurs arrêtent le processus. Le réacteur contient alors une suspension de particules de PVC dans l'eau.
La polymérisation en émulsion représente 12 % de la production. Elle permet d'obtenir des particules beaucoup plus fines pour des applications spécifiques comme les revêtements et le cuir synthétique. La polymérisation en masse représente les 8 % restants et produit une résine de haute pureté sans eau.
Étape 4 : Récupération et purification
Le VCM ne se transforme pas entièrement en PVC. Environ 10 % restent non transformés, et leur récupération est importante pour des raisons de sécurité et de rentabilité.
Les opérateurs transfèrent la suspension de polymère dans un réservoir de purge à basse pression. La majeure partie du VCM n'ayant pas réagi s'évapore sous forme de gaz et est récupérée pour être réutilisée. La suspension passe ensuite dans des colonnes de stripping supplémentaires qui éliminent les traces restantes de VCM.
Le VCM récupéré retourne au réacteur de polymérisation. La suspension purifiée est ensuite acheminée vers le séchoir.
Étape 5 : Séchage et finition
La dernière étape transforme la pâte de PVC humide en poudre blanche sèche que les consommateurs achètent. Le PVC est produit selon cette chaîne en cinq étapes, chacune transformant progressivement les matières premières.
Les centrifugeuses font tourner la suspension à grande vitesse, séparant ainsi la majeure partie de l'eau des particules de PVC. Le gâteau humide obtenu contient encore un peu d'humidité.
Les séchoirs instantanés et les séchoirs cycloniques projettent de l'air chaud sur le gâteau de résine humide. L'humidité s'évapore rapidement. L'objectif est un taux d'humidité de 0.2 à 0.3 %. Un taux supérieur entraînerait des problèmes de transformation de la résine, tandis qu'un taux inférieur engendrerait un gaspillage d'énergie.
Les tamis trient la poudre séchée en fonction de la taille des particules. Les particules de PVC en suspension mesurent généralement de 50 à 200 micromètres de diamètre, soit environ l'épaisseur d'un cheveu humain.
Le produit fini est une poudre blanche fluide et inodore, semblable à de la farine. Il s'agit de résine PVC, prête à être mélangée et transformée en produits plastiques en PVC.
Que se passe-t-il après la production de résine PVC ?
La résine PVC pure est cassante et instable. Elle nécessite un traitement avant de pouvoir être transformée en produits utilisables.
- Le compoundage permet d'ajouter des stabilisants, des lubrifiants et d'autres additifs. Les stabilisants thermiques préviennent la dégradation lors de la transformation. Les plastifiants rendent le PVC rigide flexible. Les pigments ajoutent la couleur.
- La transformation permet de donner forme au composé en produits finis. Le procédé de fabrication du PVC, de la résine au produit fini, comprend trois étapes : le compoundage, la transformation (extrusion, injection ou calandrage) et le contrôle qualité. L’extrusion consiste à pousser la matière à travers des filières pour créer des tubes, des profilés et des plaques. Le moulage par injection remplit les moules pour fabriquer des raccords et des connecteurs. Le calandrage permet de produire des films minces et des revêtements de sol.
- Les tests de qualité garantissent que les produits finaux répondent aux spécifications. Les normes ASTM régissent tout, de la résistance à la traction à la résistance au feu.
L'étape de compoundage révèle la polyvalence du PVC. Une même résine de base peut servir à fabriquer des tuyaux d'évacuation rigides ou des tubes médicaux souples, selon les additifs choisis.