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Polystyrène expansé : du hasard aux produits techniques

Jean-François Preveraud

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Polystyrène expansé : du hasard aux produits techniques

Un matériau utilisé à la fois dans le bâtiment, l'agroalimentaire et la logistique.

© DR

Découvert par hasard en 1944, le polystyrène expansé est le 2e isolant utilisé dans le bâtiment en France. Présentant une bonne résistance thermique surfacique et étant économique, il ne cesse pourtant d’innover tant dans le domaine des performances que des systèmes de mise en œuvre pour faire face à des normes de construction toujours plus drastiques.

Le durcissement des réglementations liées à la réduction de consommation énergétique des bâtiments pousse à en améliorer l’isolation. Pour ce faire, on peut soit augmenter l’épaisseur de l’isolant, soit en choisir une version aux caractéristiques de résistance thermique surfacique (R) améliorées, soit passer à un nouveau type d’isolant.

Fort de la 2e place du polystyrène expansé sur le marché des isolants en France, les membres de l'Association Française pour l'Isolation en Polystyrène Expansé dans le Bâtiment (AFIPEB) se sont engagés depuis de nombreuses années dans une politique d'innovation soutenue. Ils n'ont de cesse de développer les performances du matériau pour apporter une réponse toujours adaptée à ces exigences réglementaires en constante évolution. Au-delà des performances du matériau, les industriels ont également travaillé sur le développement de solutions et systèmes permettant de répondre à de nouvelles applications ou facilitant la mise en œuvre des produits en polystyrène expansé.

Petit retour historique sur le polystyrène

C’est vers 1835 que le pharmacien berlinois Eduard Simon eu l’idée de distiller la résine issue d’un arbre poussant au Proche-Orient, le Liquidambar Orientalis. Cette résine étant appelée Storax ou Styrax du Levant, il appela de liquide issu de la distillation Styrène. Mais ce composé organique aromatique est aussi naturellement présent en faibles quantités dans certaines plantes (fruits, légumes…) mais aussi dans la bière, le vin, la viande. En chauffant ce liquide, on obtient une réaction en chaîne qui se traduit par l'apparition de macromolécules de polystyrène. C’est la réaction de polymérisation décrite dès 1866 par le chimiste français Marcellin Berthelot.

Mais c’est réellement à partir des années 30 que la fabrication du styrène se développa lorsque l’on sut l’obtenir par séparation lors du raffinage du pétrole. Elle fut suivie à la fin des années 30 par celle du polymère polystyrène. Le premier procédé utilisé par suspension aqueuse fonctionnait en ‘‘discontinu’’. Puis dès les années 40 apparaissent des procédés de polymérisation ‘‘en masse’’, continus ou discontinus. Le procédé ‘‘masse continu’’ triomphera dans les années 60, grâce notamment aux progrès technologiques permettant d'évacuer la chaleur produite par la polymérisation (environ 710 kJ/kg).

Le polystyrène expansé fruit du hasard

Mais c’est en 1944 que le chimiste Ray Mc Intire, qui travaillait sur les caoutchoucs flexibles chez Dow Chemical, découvrit par hasard le polystyrène expansé. L'idée de départ était de co-polymériser du styrène et de l'isobutène sous pression. Le styrène fut le seul à se polymériser et l'isobutène se vaporisa, s'immisçant dans la matrice du polymère. Le polystyrène expansé était inventé. Ce matériau rigide de faible densité fut rapidement utilisé comme isolant thermique pour le bâtiment, puis comme absorbeur de choc dans les emballages.

Pour le fabriquer industriellement, on introduit dans un pré-expanseur des perles de polystyrène. Sous l'action de la température et d’une pression de vapeur d'eau, le gaz d'expansion (butane ou pentane) les fait gonfler jusqu'à 50 fois leur volume initial. Une fois expansées et stabilisées, ces perles sont introduites dans des moules où à nouveau sous l'effet de la température et de la pression, les perles expansées s'agglomèrent en une pièce moulée. Il peut s’agir de blocs parallélépipédiques destinés à être découpés en panneaux plans pour des produits d’isolation ou de pièces de formes pour des produits de calage.

Trois types de polystyrène

Le polystyrène existe sous trois types de formes. Le polystyrène de base est appelé polystyrène ‘‘cristal’’ (PS), du fait de l’aspect transparent de cette matière dure et cassante, pouvant être colorée. On peut facilement le mettre en forme par injection ou extrusion. Il sert par exemple à fabriquer les gobelets transparents ou les boites de CD. Par ajout de plastifiants ou de butadiène on améliore ses propriétés mécaniques et thermiques pour en faire polystyrène ‘‘choc’’ (PS-HI) servant par exemple à faire des plaques pour le thermoformage. Enfin, il peut se présenter sous formes de mousses à cellules fermées, soit expansées (PSE), soit extrudées (PSX) si l’on a besoin d’une densité plus forte.

Polystyrène et environnement

L’un des points noirs du polystyrène notamment expansé reste sa dispersion dans l’environnement où il peut nuire à la faune sauvage, car ce n’est pas un matériau biodégradable, enfoui on lui prédit une durée de vie d'environ 500 ans, même si certains grades peuvent se décomposer en moins d'un an. Pourtant il se recycle facilement même s’il n’existe pas en France de collecte sélective pour les particuliers. Qu’il s’agisse d’emballages ou de petits déchets de construction, il finit alors dans les centrales d’incinération où il sert de combustible pour la combustion des ordures ménagères.

Par contre, les filières professionnelles font de réels efforts de valorisation et de recyclage, tels les fabricants d'emballages, qui récupèrent pratiquement 30 % des 40 000 tonnes d'emballages en PSE utilisés annuellement en France. 85 % du PSE ainsi collecté est recyclé en granulés de polystyrène qui serviront à la fabrication de produits manufacturés (cintres, boîtiers de CD, etc.). Les 15 % restants sont recyclés sous forme expansée (emballages, blocs et plaques PSE, allègement de sols et de bétons). De même, les transformateurs de PSE récupèrent leurs chutes et les réintroduisent dans leur cycle de fabrication. Il utilisent aussi à hauteur de 5 à 30 % des perles de PSE issues de filières de récupération après nettoyage, en vue de fabriquer de nouveaux produits destinés au bâtiment ou à l'emballage non-alimentaire.

Du blanc au gris pour gagner 20 % en performances

Matériau universellement utilisé dans les domaines de la construction, le polystyrène expansé offre d'excellentes performances thermiques et acoustiques. De couleur blanche depuis sa conception, l'élastification des blocs en polystyrène expansé a permis l'obtention de meilleures caractéristiques thermiques et acoustiques, notamment en doublage collé.

Puis, le polystyrène expansé a connu une véritable rupture technologique avec le développement du polystyrène gris obtenu par l'adjonction de graphite ou d'autres dérivés de carbone au polystyrène blanc. Ces molécules permettent de réfléchir et d'absorber une partie du rayonnement infra-rouge, améliorant ainsi les performances thermiques des polystyrènes expansés. Ainsi, par rapport à un polystyrène classique, à densité proche de 15 kg/m3, la performance d’isolation thermique d’un PSE gris est augmentée d’au moins 20 %.

Utilisé d'abord pour l'isolation thermique des murs par l'intérieur en France, le polystyrène expansé gris se généralise à d'autres applications et est très utilisé en isolation thermique des murs par l'extérieur. Il représente ainsi aujourd'hui près d'un tiers des isolations par l’extérieur en PSE.

Et ça c’est nouveau !

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : http://intranet.bienisoler.com

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