C’est la 3ème matière plastique la plus utilisée dans le monde principalement en construction. Il est préparé par polymérisation du chlorure de vinyle monomère obtenu par chloration ou oxychloration de l’éthylène mais aussi, en Chine, à partir de l’acétylène.
Le polychlorure de vinyle est souvent dénommé PVC (Poly Vinyl Chloride).
La polymérisation du chlorure de vinyle, sous l’action du rayonnement solaire, a été découverte accidentellement, en 1835, par Henri Victor Regnault lors de son séjour, à l’Université de Giessen, en Allemagne, dans le laboratoire de Justus von Liebig qui venait de préparer le chlorure de vinyle. Le matériau obtenu n’a pas été exploité et le résultat n’a été publié que dans les années 1870. Il en a été de même, en 1872, en Allemagne, avec Eugen Baumann. Il faut attendre 1913, pour que le procédé soit breveté, en Allemagne, par Friedrich Heinrich Klatte. Le matériau obtenu reste difficilement utilisable. Un pas important a été franchi, au cours des années 1920-30, avec les travaux de Waldo Semon au sein de la société BFGoodrich, qui a introduit des plastifiants permettant l’obtention d’un produit synthétique exploitable destiné à remplacer le caoutchouc naturel. L’industrialisation a débuté, en 1933, aux États-Unis avec Union Carbide et en 1935, en Europe, chez BASF.
Ce sont l’éthylène ou l’acétylène et le dichlore ou le chlorure d’hydrogène.
L’éthylène est généralement utilisé, sauf en Chine, qui emploie plutôt l’acétylène car celui-ci est préparé à partir de charbon, dont ce pays dispose d’importantes réserves, alors que l’éthylène est produit à partir d’hydrocarbures qui doivent être, en partie, importés.
En 2011, en Europe, l’éthylène est utilisé dans 98 % des capacités de production de PVC, l’acétylène dans 2 % des cas. En Chine, en 2019, la part de l’acétylène est de 81 %, celle de l’éthylène de 19 %.
Par polymérisation du chlorure de vinyle monomère.
A partir d’éthylène : le CVM est obtenu par pyrolyse du 1,2-dichloroéthane (EDC) lui même obtenu par chloration ou oxychloration de l’éthylène.
Chloration de l’éthylène, en présence, comme catalyseur, de chlorure ferreux :
C2H4 + Cl2 = C2H4Cl2
La réaction a lieu dans le dichloroéthane à l’ébullition.
Oxychloration de l’éthylène, selon la réaction de Deacon, HCl provenant de la pyrolyse du 1,2-dichloroéthane :
C2H4 + 2 HCl + 1/2 O2 = C2H4Cl2 + H2O ΔrH° = – 239 kJ/mole
L’oxychloration est réalisée sur un lit fluidisé de catalyseur CuCl/CuCl2 sur Al2O3, sous 0,5 MPa, vers 250°C. La réaction est pratiquement totale. La capacité des unités de production est de 250 à 300 000 t/an et peut atteindre 500 000 t/an.
Le chlorure d’hydrogène produit par la pyrolyse du 1,2-dichloroéthane est ainsi entièrement recyclé, le dioxygène pur remplace de plus en plus l’air.
Souvent les deux modes d’obtention, chloration et oxychloration, sont associés dans la même usine. Ces réactions donnent du 1,2-dichloroéthane (EDC) qui est condensé, lavé, séché, purifié et ensuite décomposé en chlorure de vinyle monomère.
Pyrolyse du 1,2-dichloroéthane (EDC), effectuée à 500°C, sous 15 à 30 atmosphères :
C2H4Cl2 = C2H3Cl + HCl ΔrH° = + 71 kJ/mole
A partir d’acétylène : la réaction est catalysée par du chlorure de mercure sur charbon actif.
C2H2 + HCl = C2H3Cl
Ce procédé a été utilisé aux États-Unis et en Europe occidentale jusque dans les années 1960 où il a été supplanté depuis par le procédé utilisant l’éthylène. Par contre, en Chine, riche en ressources de charbon, le développement de la production s’est effectué principalement avec le procédé à l’acétylène, l’acétylène étant produite, dans ce pays, à partir de carbure de calcium, lui-même préparé à partir de coke et de calcaire, selon les réactions :
CaCO3 = CaO + CO2
CaO + 3 C = CaC2 + CO
CaC2 + 2 H2O = C2H2 + Ca(OH)2
La réaction de formation du carbure de calcium est réalisée, dans un four électrique, à une température d’environ 2000°C.
Aux États-Unis et en Europe occidentale, l’acétylène est plutôt préparé par combustion incomplète du méthane ou récupéré comme co-produit de la fabrication de l’éthylène dans les vapocraqueurs.
Un procédé mixte associe une production à partir d’éthylène donnant une sous-production de chlorure d’hydrogène utilisé dans le procédé à l’acétylène.
La polymérisation du CVM peut être réalisée selon trois procédés, ( ) en % de la production mondiale, en 2017 :
Consommations pour 1 t de PVC produit à partir d’éthylène :
Éthylène | 460 kg | Vapeur | 925 kg | |
Dichlore | 585 kg | Énergie | 290 kWh | |
Dioxygène | 139 kg | Eau de refroidissement | 152 m3 |
Source : Deloitte
Le PVC est livré sous forme d’une poudre blanche. C’est un thermoplastique qui pour être utilisé et mis en forme, nécessite l’ajout de divers adjuvants ce qui donne des « compounds » de PVC. En fonction des formulations, il pourra être rigide ou souple, opaque ou transparent, isolant ou conducteur… Ces ajouts sont : des plastifiants, des stabilisants, des pigments, des lubrifiants, des charges… (voir également le chapitre sur les matières plastiques).
Les plastifiants du PVC :
Les plastifiants sont destinés à produire du PVC souple qui représente, en Europe, environ 30 % de la production de PVC. Ils peuvent atteindre jusqu’à 60 % en poids de l’objet fini. Les principaux plastifiants utilisés sont des phtalates et des adipates. Dans le monde, pour une consommation de 8,4 millions de t de plastifiants, 80 % sont des phtalates. En Europe, sur une consommation de 1,35 million de t de plastifiants, 85 % sont destinées à la fabrication du PVC souple. Les phtalates sont des esters préparés par réaction entre l’acide phtalique (C6H4(COOH)2) et un alcool.
Parmi les phtalates utilisés dans le PVC, on distingue les phtalates à faible poids moléculaire ou chaîne moléculaire courte, avec de 3 à 6 atomes de carbone, le principal étant le di-2-éthylhexyl phtalate (DEHP), des phtalates à poids moléculaire élevé ou chaîne moléculaire longue, avec de 7 à 13 atomes de carbone, les principaux étant le diisononyl phtalate (DINP) et le diisodecyl phtalate (DIDP).
Les phtalates à faible poids moléculaire sont classés toxiques pour la reproduction car considérés comme perturbateurs endocriniens. Ils sont interdits dans les jouets, articles de puériculture et cosmétiques et leur utilisation est réglementée dans les emballages. Par contre, leur utilisation est autorisée comme matériau des poches de sang et des tubulures car le DEHP stabilise le sang.
Les phtalates à poids moléculaire élevé ne sont pas classés toxiques mais, par principe de précaution, l’Agence Européenne des Produits Chimiques propose de restreindre leur utilisation dans les jouets susceptibles d’être portés à la bouche par des enfants de moins de 3 ans.
En Europe, depuis les années 80 on assiste à une diminution constante de l’emploi des phtalates à faible poids moléculaire. Ils représentaient 70 % des utilisations, ils n’en représentent plus que 13 %, en 2015. Les phtalates à poids moléculaire élevé représentent, en 2015, 57 % des emplois dans le PVC. Les autres plastifiants employés (cyclohexanoates, terephtalates…) représentent, 30 % des utilisations.
Les stabilisants du PVC :
Le PVC se décompose à 170-180°C en libérant du chlorure d’hydrogène. Mais avant cette décomposition, dès 70°C, du chlorure d’hydrogène peut être libéré et de plus cette réaction est autocatalytique. Le rôle des stabilisants est de prévenir cette libération.
Capacités de production, en 2021. Monde : 59,14 millions de t/an. Répartition, en 2019 :
Asie du Nord-Est | 54 % | Sous continent indien | 3 % | |
Amérique du Nord | 17 % | Proche Orient et Afrique | 3 % | |
Europe de l’Ouest | 11 % | Russie et pays baltes | 2 % | |
Asie du Sud-Est | 4 % | Europe centrale | 2 % | |
Amérique du Sud | 3 % |
Source : Kunststoffe International
En Chine, en 2021, la capacité de production est comprise entre 25 et 26 millions de t/an avec, en 2019, 73 producteurs dont 3 possèdent des capacités de production supérieures à 1 million de t/an. 51 % des capacités sont situées dans le nord-ouest avec les provinces du Xinjiang et du Qinghai et 25 % dans le nord, dans la province de Mongolie intérieure.
En 2021, les capacités de production du Japon sont de 1,845 million de t/an, celles de Taipei chinois, en 2018, de 1,815 million de t/an, celles de Corée du Sud, en 2018, de 1,580 million de t/an, celles d’Inde, en 2021-22, de 1,579 million de t/an, celles de la Thaïlande, en 2018, de 866 000 t/an.
Productions : Monde, en 2018 : 44,3 millions de t, Union européenne, en 2023 : 3,895 millions de t.
Chine, en 2019 | 20 107 | Inde, en 2021-22 | 1 439 | |
États-Unis, Canada, en 2021 | 7 023 | Allemagne, en 2022 | 1 209 | |
Taipei chinois, en 2018 | 1 769 | France, en 2023 | 984 | |
Japon, en 2021 | 1 625 | Thaïlande, en 2018 | 863 | |
Corée du Sud, en 2018 | 1 576 | Espagne, en 2023 | 317 |
Sources : Eurostat, Asia Petrochemical Industry Conference (APIC-2017), American Chemistry Council
Commerce international : en 2023, sous forme primaire sans additif, sur un total de 12,359 millions de t, en 2019.
Principaux pays exportateurs :
États-Unis | 3 012 | Japon | 653 | |
Chine | 2 420 | Allemagne | 633 | |
Taipei chinois | 1 333 | Belgique | 551 | |
France | 686 | Indonésie | 457 | |
Corée du Sud | 684 | Pays Bas | 453 |
Source : ITC
Les exportations des États-Unis sont destinées à 16 % au Canada, 10 % à l’Inde, 10 % au Mexique, 7 % à la Turquie.
Principaux pays importateurs :
Inde | 3 205 | Chine | 440 | |
Turquie | 936 | Brésil | 399 | |
Vietnam | 699 | Belgique | 351 | |
Allemagne | 493 | Pologne | 342 | |
Canada | 487 | Mexique | 288 |
Source : ITC
Les importations de l’Inde proviennent de Chine à 34 %, du Japon à 15 %, de Taipei chinois à 15 %, de Corée du Sud à 10 %, des États-Unis à 9 %.
Principaux producteurs : dans le monde, en 2021.
Shin Etsu (Japon) | 4 440 | Orbia (Mexique) | 1 797 | |
Westlake (États-Unis) | 3 557 | Oxyvinyls (États-Unis) | 1 683 | |
Formosa Plastics (Taipei chinois) | 3 164 | LG Chem (Corée du Sud) | 1 500 | |
Inovyn (Royaume Uni) | 2 315 | Hubei Yihua (Chine) | 1 350 | |
Xinjiang Zhongtai (Chine) | 1 970 | Beiyuan Chemical (Chine) | 1 250 |
Source : : IHS Markit, Orbia
En 2021, dans l’Union européenne plus la Norvège, le Royaume Uni et la Suisse, le recyclage a porté sur 810 775 t. Origine du PVC recyclé :
Profilés de fenêtres et apparentés | 44 % | Câbles | 11 % | |
PVC souple et films | 33 % | Tuyaux et raccords | 6 % |
Source : VinylPlus
En France, en 2020, le recyclage a porté sur 99 604 t. Aux États-Unis et Canada, en 2020, le recyclage a porté sur 500 000 t.
En France, le recyclage du PVC est effectué par les principales sociétés de traitement des déchets : Sita, société de Suez Environnement, à Vernie (72) avec une capacité de 18 000 t/an, Paprec, à Trémentines (49) avec 15 000 t/an, Veolia, Valorplast ou les producteurs de matériaux en PCV comme Veka.
Ce PVC recyclé, qui coûte 30 % moins cher que le vierge, est principalement utilisé dans la partie centrale de tubes coextrudés qui contiennent de 10 à 40 % de PVC recyclé ; il est aussi utilisé en inserts de contreforts de chaussures, en sous-couches de dalles de sol, en articles thermoformés, en fibres textiles…
Une part importante du HCl (de l’ordre de 50 %) présent dans les gaz de combustion des incinérateurs d’ordures ménagères provient du PVC. En général, le chlorure d’hydrogène, en solution, est neutralisé par une base. Les sels de neutralisation peuvent eux-mêmes être électrolysés pour redonner du dichlore. Le chlorure d’hydrogène peut être aussi récupéré et condensé pour alimenter une unité d’oxychloration destinée à la synthèse du CVM. Le PVC contribue à la valorisation thermique des déchets par son pouvoir calorifique (20 kJ/kg) équivalent à celui du bois ou du charbon. La libération de dioxine lors de la combustion du PVC (6 ng/kg) semble inférieure à celle produite par d’autres matériaux (bois 2 à 20 ng/kg) et son contrôle devrait être garanti par les conditions d’incinérations.
Production : 984 328 t, en 2023.
Commerce extérieur : en 2023, sous forme primaire sans additif.
Les exportations étaient de 686 356 t avec comme principaux marchés à :
Les importations s’élevaient à 150 797 t en provenance principalement à :
Usines :
En décembre 2021 a été acquis par le fonds Apollo.
C’est la 3ème matière plastique la plus utilisée dans le monde après les polyéthylènes et le polypropylène. Le PVC représente, en 2020, 9,6 % de la consommation de matières plastiques dans l’Union européenne plus la Norvège et la Suisse et 16 % dans le monde.
Consommations : dans le monde, en 2021 : 49,2 millions de t, Chine, en 2019 : 20,27 millions de t, Europe de l’ouest, en 2021 : 4,155 millions de t, États-Unis, en 2021 : 5,030 millions de t, Inde, en 2021-22 : 3,3 millions de t, Corée du Sud, en 2018 : 1,093 million de t, Japon, en 2018 : 1,053 million de t, Brésil, en 2021 : 1,248 million de t, Turquie, en 2021 : 790 000 t.
La consommation annuelle par habitant est en moyenne, dans le monde, en 2021, de 6,3 kg, avec 15,1 kg aux États-Unis, 9,8 kg en Europe de l’ouest, 9,3 kg en Turquie, 5,9 kg au Brésil, 2,3 kg en Inde.
Secteurs d’utilisation, en 2015, aux États-Unis :
Construction | 70 % | Applications électriques | 5 % | |
Emballages | 7 % | Transports | 2 % |
Source : Vinyl Institute
Le PVC est un matériau largement utilisé dans des applications à longue durée de vie telles que le bâtiment où les tubes et canalisations ont une durée de vie de près de 100 ans, les profilés de fenêtres d’environ 40 ans. Dans l’Union européenne, la consommation de PVC dans les profilés de fenêtres est de 1,2 million de t/an.
Formes d’utilisation du PVC, en 2021.
États-Unis | Europe de l’ouest | États-Unis | Europe de l’ouest | ||
Profilés rigides | 21 % | 34 % | Câbles | 3 % | 8 % |
Tuyaux et raccords | 46 % | 25 % | Autres | 17 % | 14 % |
Films rigides et feuilles | 13 % | 19 % |
Sources : : IHS Markit, Orbia
Utilisations françaises
Bâtiment et travaux publics :
La consommation de profilés est de 180 000 t/an dont 155 000 t/an destinées à la fabrication de fenêtres. Les fenêtres en PVC représentent, en 2017, 59 % des fenêtres posées chaque année, sur un total de 9,7 millions.
50 millions de m2/an de revêtements de sols intérieurs sont en PVC, ainsi que 60 millions de m2/an de revêtements de murs et 12 millions de m2/an de membranes d’étanchéité.
90 % des canalisations d’évacuation des eaux usées sont en PVC, ainsi que 75 % des conduits d’assainissement, 50 % des adductions d’eau, avec une consommation de 250 000 t/an de tubes et raccords.
Emballages :
Dans l’embouteillage de l’eau, le PVC est remplacé par le PET matériau plus résistant et moins polluant. Le PVC est utilisé dans les blisters, les rubans adhésifs, films alimentaires…
La concentration en CVM contenu dans les emballages doit être inférieure à 1 ppm et la migration du CVM dans les produits contenus doit être non dosable par une méthode sensible à 0,01 ppm.
Automobile :
Un véhicule construit en 2010, contient 150 kg de matières plastiques dont 3 à 5 % de PVC. Il est présent comme revêtement de la carrosserie, dans le tableau de bord, les sièges, les câbles…
Le chlorure de vinyle monomère est gazeux dans les conditions normales ; il est extrêmement inflammable et donne avec l’air, lorsque sa teneur est supérieure à 4 000 ppm, des mélanges pouvant exploser à la moindre étincelle. Il est transporté et utilisé à l’état liquide sous pression. Le gaz est incolore et est perceptible (odeur douce et agréable) à des concentrations de l’ordre de 260 ppm. Il a un effet narcotique et a été utilisé comme anesthésiant. C’est un produit toxique à long terme à l’état non polymérisé. Cancérigène, son utilisation est strictement surveillée, de même que ses concentrations résiduelles dans le PVC. Ainsi, la concentration résiduelle du CVM dans le PVC doit être inférieure à 5 ppm pour les applications générales et inférieure à 1 ppm pour les applications alimentaires et médicales.
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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