Une analyse complète des matériaux PET

Lorsque vous prenez une bouteille d'eau minérale sur une étagère de supermarché, vous ne réalisez peut-être pas que derrière cette bouteille légère et transparente se cache une révolution dans la science des matériaux. Le polyéthylène téréphtalate, l'un des polymères les plus importants de l'industrie moderne, a discrètement imprégné tous les aspects de la vie humaine.

Des films transparents enveloppant les aliments aux couches isolantes protégeant les composants électroniques, des fibres textiles aux pièces automobiles, ce matériau polyvalent remodèle notre monde matériel à un rythme étonnant. Avec une capacité de production mondiale annuelle dépassant les 110 millions de tonnes, le PET n'est pas seulement une force majeure dans l'industrie de l'emballage, mais aussi un matériau de base indispensable dans les domaines de haute technologie.

Informations de base sur les matériaux PET

Le PET, nom chimique du polyéthylène téréphtalate, est composé d'acide téréphtalique et d'éthylène glycol, formés par une réaction d'estérification et de polycondensation pour former des chaînes polymères linéaires régulières. Cette structure moléculaire très symétrique lui confère une excellente cristallisation, lui permettant de former des régions cristallines denses dans des conditions de traitement appropriées, ce qui se traduit par des propriétés physiques exceptionnelles. La production industrielle de PET se fait principalement par deux voies : la transestérification du téréphtalate de diméthyle avec l'éthylène glycol et l'estérification directe de l'acide téréphtalique purifié avec l'éthylène glycol. Les deux nécessitent plusieurs étapes de polycondensation pour produire un polymère dont le poids moléculaire varie de 20 000 à 30 000 g/mol.

Le PET est un polymère blanc laiteux ou jaune clair, hautement cristallin, avec une surface lisse et un éclat vitreux. En fonction des méthodes de modification et des applications, les matériaux PET peuvent être divisés en trois types principaux :

• APET : matériau amorphe et transparent principalement utilisé pour les contenants d'emballage alimentaire
• RPET : PET recyclé, traité par un système de recyclage et offrant une excellente compatibilité environnementale
• PETG : Le PET incorpore un comonomère de cyclohexanediméthanol pour améliorer la transparence et la ténacité du traitement

La résine PET est devenue l'une des matières plastiques d'ingénierie les plus utilisées au monde. Ses applications se sont étendues de ses applications initiales de fibres synthétiques à l'emballage, à l'électronique, au transport et à d'autres secteurs clés. La capacité de production mondiale devrait dépasser les 110 millions de tonnes d'ici 2025.

Propriétés fondamentales des matériaux PET

La popularité du PET dans l'industrie découle de sa combinaison exceptionnellement équilibrée de propriétés. En termes de propriétés physiques et mécaniques, le PET présente une rigidité élevée, une dureté élevée et une excellente stabilité dimensionnelle. Sa résistance à la flexion peut atteindre 148-310 MPa et sa dureté Rockwell atteint M90-95, ce qui démontre la plus grande ténacité parmi les thermoplastiques.

Propriétés physiques

Tableau 1 : Principales propriétés physiques du PET

Propriétés thermiques
Le PET peut être utilisé à long terme à des températures allant jusqu'à 120°C. Les versions renforcées peuvent même résister à une immersion dans un bain de soudure à 250°C pendant 10 secondes sans déformation. Cette résistance à la chaleur lui confère un avantage irremplaçable dans le domaine de la soudure électronique. Ses propriétés d'isolation électrique sont également excellentes, restant stables même dans des environnements à haute température et à haute fréquence. Cependant, sa résistance à la couronne est relativement limitée.

Stabilité chimique
Le PET présente une excellente résistance aux intempéries et aux produits chimiques, avec une bonne résistance aux acides faibles et aux solvants organiques. Cependant, il est susceptible à la corrosion par les bases fortes, et une immersion prolongée dans l'eau chaude peut également entraîner une dégradation des performances.

Film PET – Film de polyester orienté biaxialement

Parmi les nombreuses formes de PET, le film de polyester orienté biaxialement occupe une place particulière. Produit par un procédé d'étirage de précision, ce film, d'une épaisseur typique d'environ 0,012 mm, possède une résistance physique remarquable.

Classification des procédés de production

• Film orienté biaxialement : Les films haute performance fabriqués à partir de matériaux « brillants » de haute pureté, étirés dans les deux sens longitudinal et transversal, dominent le marché.
• Film orienté uniaxialement : Les matériaux semi-mats avec ajout de dioxyde de titane ne sont étirés que dans le sens longitudinal. Ils sont de qualité inférieure et rentables, principalement utilisés pour l'emballage pharmaceutique.

Les performances exceptionnelles du film BOPET découlent de son procédé de fabrication unique. Le film est d'abord extrudé en une feuille épaisse et amorphe à 280°C. Après refroidissement, il entre dans l'étape d'étirage : étirage d'environ 3 fois dans le sens longitudinal à 86-87°C et de 2,5 à 4 fois dans le sens transversal à 100-120°C. Enfin, il est fixé à 230-240°C. Ce procédé se traduit par un degré élevé d'orientation des chaînes moléculaires, conférant au film une ténacité exceptionnelle : une résistance à la traction comparable à celle du métal, ainsi qu'une excellente résistance à l'abrasion, à la flexion et à la déchirure. Il a un retrait thermique minimal, une transmission de la lumière >90 % et une surface en miroir.

Tableau 2 : Classification et application des films PET par application

Applications des matériaux PET

L'étendue des applications du PET est étonnante, couvrant presque tous les domaines clés de l'industrie moderne.

• Industrie de l'emballage : 70 % de la production mondiale de PET est utilisée pour l'emballage. Les bouteilles de boissons gazeuses et d'eau minérale sont ses plus grandes applications, avec des applications qui s'étendent aux bouteilles d'huile comestible, aux bouteilles de condiments et aux bouteilles pharmaceutiques. Une bouteille en PET de 500 ml ne pèse qu'environ 18 grammes, soit 80 % de moins qu'une bouteille en verre, tout en pouvant résister à des pressions internes allant jusqu'à 150 psi. Les films d'emballage alimentaire utilisent ses propriétés de barrière à l'oxygène et d'affichage transparent.
• Dans les secteurs de l'électronique et de l'électricité : l'excellente isolation et la résistance à la chaleur du PET sont utilisées pour fabriquer divers films isolants, des diélectriques de condensateurs et des circuits imprimés flexibles. Les films de qualité électrique peuvent être contrôlés avec précision à une épaisseur comprise entre 3,5 et 125 μm, avec des tensions de claquage supérieures à 5 kV. Le PET renforcé est utilisé pour fabriquer des composants électroniques résistants aux hautes températures tels que des connecteurs et des bobines de transformateur.
• Dans l'industrie textile : la fibre de PET représente plus de 50 % de la production mondiale de fibres synthétiques, et sa résistance élevée et sa résistance aux plis ont transformé l'industrie textile.
• Dans l'industrie automobile : le PET renforcé est utilisé pour produire des composants tels que des supports de lampes, des couvercles de tableaux de bord et des vannes, remplaçant le métal pour l'allègement.
• Dans les applications spéciales : un film de protection en PET à haute viscosité est utilisé pour protéger les surfaces des écrans LCD et tactiles, offrant une excellente résistance aux rayures à une épaisseur de seulement 0,05 à 0,1 mm. Sa stabilité dimensionnelle et sa transparence sont également utilisées dans les substrats de films photosensibles. Les films en aluminium revêtus sous vide sont utilisés à des fins décoratives et dans la fabrication de condensateurs.

Les plastiques d'ingénierie PET démontrent une pénétration généralisée dans de multiples industries : électronique et électrique 26 %, automobile 22 %, machines 19 % et produits de première nécessité 10 %. Bien que les plastiques d'ingénierie ne représentent que 1,6 % du marché total du PET, ils possèdent la plus haute teneur technologique et la plus grande valeur ajoutée.

Procédé de production du PET

La fabrication des produits en PET est un procédé thermomécanique précis nécessitant un contrôle de la température extrêmement strict.

Moulage par injection
Utilisé pour des produits tels que les préformes de bouteilles et les composants électroniques. La température du cylindre est contrôlée par étapes : section arrière (250-270°C), section intermédiaire (265-275°C), section avant (270-275°C) et buse (280-295°C). La température du moule est maintenue entre 30 et 85°C, avec une contre-pression de 5 à 15 kg/cm². La matière première doit être pré-séchée à 120-140°C pendant 2 à 5 heures pour éviter la rupture des chaînes moléculaires causée par l'hydrolyse.

Procédé de film orienté biaxialement

• Pré-séchage et extrusion à l'état fondu : Après déshumidification, le film tranché est extrudé en feuilles épaisses à 280°C.
• Refroidissement rapide : Un refroidissement rapide via un tambour de refroidissement ou un liquide de refroidissement maintient l'état amorphe.
• Étirement biaxial : Étirement longitudinal (86-87°C, rapport d'étirement ≈ 3x) → étirement transversal (100-120°C, rapport d'étirement 2,5-4,0x).
• Fixation thermique : Soulager les contraintes internes à 230-240°C pour améliorer la stabilité dimensionnelle.

Moulage par soufflage
Principalement utilisé pour la production de bouteilles creuses. La préforme est réchauffée au-dessus de la température de transition vitreuse, puis soufflée en forme à l'aide de gaz haute pression. Ce procédé nécessite un contrôle précis de la répartition de la température et de la pression de soufflage pour garantir une épaisseur uniforme de la paroi de la bouteille.

Extrusion
Produit des profils continus tels que des feuilles et des tubes. Des feuilles épaisses sont extrudées à travers une filière en T pour un thermoformage ultérieur, ou directement extrudées en feuilles pour l'emballage. La plage de contrôle de la température est similaire à celle du moulage par injection, mais les méthodes de refroidissement sont plus diverses.

Technologies de post-traitement
notamment le revêtement, la métallisation sous vide, l'impression et le soudage, élargissent encore les limites d'application du PET.

Défis de la durabilité et l'avenir

L'empreinte environnementale des matériaux PET est une préoccupation croissante. Le PET traditionnel repose sur des matières premières à base de pétrole et met plus de 400 ans à se dégrader naturellement. Bien que le taux de recyclage des bouteilles en PET dans le monde soit d'environ 58 %, une quantité importante de déchets pénètre encore dans l'environnement.

L'innovation technologique est à l'origine d'une transformation verte

• Le recyclage mécanique consiste à déchiqueter et à nettoyer les bouteilles en PET usagées, puis à les faire fondre et à les granuler pour les utiliser dans des fibres ou des emballages sans contact alimentaire.
• La dépolymérisation chimique réduit le PET en ses monomères, qui sont ensuite repolymérisés pour produire du rPET de qualité alimentaire.
• Le PET biosourcé utilise des matières premières issues de la biomasse pour remplacer le pétrole. Par exemple, la PlantBottle de Coca-Cola utilise de l'éthanol de canne à sucre pour produire de l'éthylène glycol, réduisant ainsi les émissions de carbone de 30 %.

À la pointe de la performance des matériaux
Le PET nano-modifié, en ajoutant des particules inorganiques de 1 à 100 nm, confère de nouvelles fonctionnalités telles que des propriétés antimicrobiennes et de haute barrière tout en conservant une grande transparence. Les copolyesters dégradables sont améliorés grâce à la conception moléculaire pour améliorer le respect de l'environnement. Des alliages haute performance sont composés avec des matériaux tels que le PC et le PA pour repousser les limites de performance des matériaux uniques.

Avec la forte demande de rPET de qualité alimentaire, la commercialisation de technologies de recyclage avancées « de bouteille à bouteille » s'accélère. Le marché mondial du PET devrait atteindre 62 milliards de dollars d'ici 2030, le rPET de qualité alimentaire étant déjà vendu plus de 50 % plus cher que le PET vierge.

Des bouteilles de boissons légères mais durables aux films pour condensateurs de taille micronique, des vêtements de tous les jours aux composants résistants à la chaleur dans les compartiments moteurs de voiture, le PET, un matériau polyvalent, est profondément intégré dans la vie moderne. Il établit un équilibre complexe entre performance et coût, transparence et résistance, et rigidité et ténacité, ce qui en fait un pilier de la révolution de l'emballage.

Grâce aux percées technologiques en matière de recyclage et aux innovations en matière de matériaux biosourcés, ce polymère né en laboratoire explore de nouvelles possibilités de développement durable. Son histoire est loin d'être terminée - au cours de la prochaine décennie, la technologie du PET continuera de redéfinir les limites de l'industrie et de la vie, en mettant l'accent à la fois sur le respect de l'environnement et sur les hautes performances.