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Le monomère de styrène est un composé organique de formule chimique C6H5CH=CH2.
La structure du monomère de styrène est constituée d'un groupe vinyle substituant le benzène.
Le monomère de styrène est un liquide huileux incolore, bien que les échantillons vieillis puissent paraître jaunâtres.
CAS : 100-42-5
MF : C8H8
PM : 104,15
EINECS : 202-851-5
Synonymes :
SM ; STYROL ; MONOMÈRE DE STYRÈNE ; PHÉNYLÉTHYLÈNE ; VINYLBENZÈNE ; FEMA 3233 ; ÉTHÉNYLBENZÈNE ; CINNAMENE
Le monomère de styrène s'évapore facilement et possède une odeur sucrée, bien qu'à forte concentration, son odeur soit moins agréable.
Le monomère de styrène est le précurseur du polystyrène et de plusieurs copolymères, et est généralement fabriqué à partir de benzène à cette fin.
Environ 25 millions de tonnes de styrène monomère ont été produites en 2010, chiffre qui a atteint environ 35 millions de tonnes en 2018.
Le styrène monomère est un composé chimique organique de formule chimique C8H8 et de formule développée CH2=CHC6H5, également connu sous les noms de styrène, vinylbenzène, phényléthène, phényléthylène, styrène, etc.
La structure chimique du styrène monomère est constituée d'un cycle benzénique lié à un groupe vinyle.
À température et pression ambiantes, le styrène est un liquide clair et incolore.
Le styrène monomère est un monomère important du caoutchouc synthétique, des adhésifs et des plastiques, comme les feuilles de styrène.
Le styrène monomère possède une odeur caractéristique, douce, balsamique, presque florale, extrêmement pénétrante.
Le styrène monomère est naturellement présent dans les plantes.
Le styrène monomère a été isolé pour la première fois par Bonastre à partir d'une résine appelée storax, extraite de l'écorce interne du liquidambar oriental (Liquidambar orientalis).
En 1839, l'apothicaire allemand Eduard Simon prépara le styrène par distillation du storax et le baptisa styrol.
Simon observa la substance se solidifier en une substance caoutchouteuse après stockage et pensa que le styrène monomère s'était oxydé en oxyde de styrène.
Une analyse ultérieure montra que le solide ne contenait pas d'oxygène et il fut rebaptisé métastyrol. Le styrène monomère fut la première trace écrite de polymérisation en chimie.
En 1845, le chimiste anglais John Blyth et le chimiste allemand August Wilhelm von Hofmann (1818-1892) observèrent que le styrène était transformé en polystyrène par la lumière solaire et que le styrène pouvait être polymérisé en polystyrène par chauffage en l'absence d'oxygène.
Il a fallu attendre 70 ans pour que la polymérisation du styrène soit décrite par Hermann Staudinger (1881-1965) dans les années 1920.
Cela a jeté les bases de l'industrie commerciale du polystyrène qui s'est développée dans les années 1930.
Un vinylarène, qui est un benzène porteur d'un groupe vinyle.
Le monomère de styrène a été isolé de la résine de benjoin produite par l'espèce Styrax.
Un liquide clair, incolore à foncé, à l'odeur aromatique.
Point d'éclair : 32 °C. Densité : 3,4 kg/1 litre.
Vapeurs plus lourdes que l'air et irritantes pour les yeux et les muqueuses.
Sujet à la polymérisation.
Si la polymérisation a lieu à l'intérieur d'un récipient fermé, celui-ci peut se rompre violemment.
Moins dense que l'eau et insoluble dans l'eau.
Utilisé dans la fabrication de plastiques, de peintures et de caoutchouc synthétique.
Propriétés chimiques du monomère de styrène
Point de fusion : -31 °C (lit.)
Point d’ébullition : 145-146 °C (lit.)
Densité : 0,906 g/mL à 25 °C
Densité de vapeur : 3,6 (par rapport à l’air)
Pression de vapeur : 12,4 mm Hg (37,7 °C)
Indice de réfraction : n₂O/D 1,546 (lit.)
Fp : 88 °F
Température de stockage : Conserver à <= 20 °C.
Solubilité : 0,24 g/l
Forme : Liquide
pka : > 14 (Schwarzenbach et al., 1993)
Densité : 0,909
Couleur : Incolore
Odeur : à 0,10 % dans la triacétine. Plastique floral de baume doux
Type d'odeur : balsamique
Source biologique : synthétique
Seuil olfactif : 0,035 ppm
Limite d'explosivité : 1,1-8,9 % (V)
Solubilité dans l'eau : 0,3 g/L (20 ºC)
Point de congélation : -30,6 °C
Sensibilité : Sensible à l'air
Merck : 14,8860
BRN : 1071236
Constante de la loi de Henry : (x 10-3 atm?m3/mol) : 3,91 à 25 °C (GC statique, Welke et al., 1998)
Limites d'exposition : TLV-TWA 50 ppm (～212 mg/m3) (ACGIH et NIOSH), 100 ppm (～425 mg/m3) (OSHA et MSHA) ; Plafond 200 ppm, pic 600 ppm/5 min/3 h (OSHA) ; STEL 100 ppm (~425 mg/m3) (ACGIH).
Constante diélectrique : 2,4300000000000002
Constante diélectrique : 2,4 (25 °C)
Stabilité : Stable, mais peut polymériser à la lumière. Normalement expédié avec un inhibiteur dissous. Les substances à éviter comprennent les acides forts, le chlorure d'aluminium, les agents oxydants forts, le cuivre, les alliages de cuivre, les sels métalliques, les catalyseurs et accélérateurs de polymérisation. Inflammable - les vapeurs peuvent parcourir une distance considérable jusqu'à la source d'inflammation.
InChIKey : PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N
LogP : 2,96 à 25 °C
Référence base de données CAS : 100-42-5 (Référence base de données CAS)
Référence chimie NIST : Styrène (100-42-5)
CIRC : 2A (Vol. 60, 82, 121) 2019
Système de registre des substances de l'EPA : Styrène monomère (100-42-5)
Le monomère de styrène est un liquide incolore ou jaune, à l'odeur sucrée et pénétrante.
Le monomère de styrène est produit lors de l'alkylation du benzène avec de l'éthylène.
Le monomère de styrène est très réactif et polymérise rapidement avec une réaction explosive violente.
Ce procédé exige une manipulation, un transport et un stockage appropriés, en ajoutant des inhibiteurs de polymérisation en quantités adéquates lors de ces opérations.
Le monomère de styrène est largement utilisé dans la fabrication d'intermédiaires chimiques, de composants de remplissage, de plastiques, de résines et d'agents stabilisants.
Réaction de polymérisation
Le monomère de styrène est un monomère vinylique courant et constitue la matière première pour la synthèse du polystyrène.
Outre les polymères en vrac, les copolymères peuvent être copolymérisés avec d'autres monomères, tels que les acrylates et l'acrylonitrile.
Le monomère de styrène peut être polymérisé sous photo-initiateur radicalaire ou sous initiateur thermique, et peut également s'autopolymériser à haute température.
En tant que monomère vinylique, l'activité de polymérisation du styrène monomère est inférieure à celle de l'acrylate, du méthacrylate et d'autres monomères à haute activité, et supérieure à celle de l'acétate de vinyle et d'autres monomères à faible activité.
De plus, le styrène peut également être utilisé comme monomère pour la polymérisation anionique, cationique et de coordination.
Propriétés physiques
Liquide aqueux, limpide et incolore, à l'odeur pénétrante ou piquante de caoutchouc.
Devient jaune à brun jaunâtre à l'air libre.
Les concentrations seuils olfactives dans l'air déterminées expérimentalement pour le styrène monomère inhibé et non inhibé étaient respectivement de 0,1 et 0,047 ppmv.
Les concentrations seuils olfactives de détection et de reconnaissance déterminées expérimentalement étaient respectivement de 220 à 640 μg/m3 (52 à 150 ppbv) et de 64 μg/m3 (15 ppbv).
À 40 °C, la concentration seuil olfactive moyenne et la concentration minimale détectable étaient respectivement de 65 et 37 μg/L.
À 25 °C, la concentration minimale détectable était respectivement de 94 μg/L (Young et al., 1996).
Les concentrations seuils olfactifs minimales détectables moyennes dans l'eau à 60 °C et dans l'air à 40 °C étaient respectivement de 3,6 et 120 μg/L.
Utilisations
Le monomère de styrène est un monomère important du caoutchouc synthétique, des adhésifs et des plastiques.
Il est utilisé pour la synthèse du caoutchouc styrène-butadiène et de la résine de polystyrène, ainsi que des plastiques et revêtements renforcés de fibres de verre polyester.
Il est utilisé pour la préparation du polystyrène, des résines échangeuses d'ions et de la mousse de polystyrène.
Le monomère de styrène est également utilisé en copolymérisation avec d'autres monomères pour produire divers plastiques techniques, notamment la copolymérisation de l'acrylonitrile et du butadiène pour produire de la résine ABS, largement utilisée dans divers appareils électroménagers et industries.
La copolymérisation avec l'acrylonitrile permet d'obtenir du SAN, une résine résistante aux chocs et de couleur vive.
Le monomère de styrène produit par copolymérisation avec le butadiène est un caoutchouc thermoplastique, largement utilisé comme modificateur de polychlorure de vinyle et d'acrylique.
Le monomère de styrène et les élastomères thermoplastiques SIS sont fabriqués par copolymérisation de butadiène et d'isoprène. En tant que monomère de réticulation, le styrène est utilisé dans la modification du PVC, du polypropylène et du polyester insaturé.
Le monomère de styrène est utilisé comme monomère dur pour la production d'émulsions styrène-acryliques et d'adhésifs sensibles à la pression à base de solvant.
Les adhésifs et peintures en émulsion peuvent être préparés par copolymérisation avec de l'acétate de vinyle et de l'ester acrylique.
Le monomère de styrène est l'un des monomères vinyliques les plus couramment utilisés dans le domaine scientifique, entrant dans la composition de divers matériaux modifiés et composites.
De plus, une faible quantité de styrène est également utilisée comme parfum et autres intermédiaires.
Par chlorométhylation du monomère de styrène, le chlorure de cinnamyle est utilisé comme intermédiaire pour la détermination de la douleur intense, un analgésique non anesthésique. Le styrène est également utilisé comme antitussif, expectorant et anticholinergique dans le traitement des troubles digestifs.
Le monomère de styrène peut être utilisé pour synthétiser des intermédiaires colorants à base d'anthraquinones, des émulsifiants pour pesticides, des acides styrène-phosphoniques, des agents de traitement du minerai et des azurants pour le cuivrage.
Le monomère de styrène est le plus simple et de loin le plus important d'une série de monomères aromatiques.
Également connu commercialement sous le nom de monomère de styrène (SM), le styrène est produit en grandes quantités pour la polymérisation.
Le monomère de styrène est un monomère polyvalent largement utilisé pour la fabrication de plastiques, notamment le polystyrène cristallin, le polystyrène choc modifié au caoutchouc, le polystyrène expansible, le copolymère acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS), les résines styrène-acrylonitrile (SAN), le latex styrène-butadiène, le caoutchouc styrène-butadiène (SBR) et les résines polyester insaturées.
Les polymères et copolymères de styrène monomère sont largement utilisés dans la fabrication de plastiques polystyrène, de polyesters, de revêtements protecteurs, de résines et de caoutchouc synthétique (caoutchouc styrène-butadiène).
Le styrène monomère est un liquide visqueux et hautement inflammable qui s'évapore facilement et polymérise facilement en polystyrène sans ajout de stabilisant.
Le styrène monomère est utilisé dans de nombreuses industries, notamment dans les plastiques renforcés (par exemple, les bateaux en fibre de verre), et est largement utilisé pour la fabrication de plastiques et de caoutchouc, de matériaux d'emballage (par exemple, les cacahuètes d'emballage), d'isolants pour bâtiments, de tuyaux en plastique, de contenants alimentaires (par exemple, les plats à emporter) et de supports de moquette.
Production industrielle
À partir d'éthylbenzène
La grande majorité du styrène monomère est produite à partir d'éthylbenzène, et la quasi-totalité de l'éthylbenzène produit dans le monde est destinée à la production de styrène.
De ce fait, les deux procédés de production sont souvent étroitement intégrés.
L'éthylbenzène est produit par une réaction de Friedel-Crafts entre le benzène et l'éthène. À l'origine, le chlorure d'aluminium était utilisé comme catalyseur, mais dans la production moderne, il a été remplacé par des zéolites.
Par déshydrogénation
Environ 80 % du styrène monomère est produit par déshydrogénation de l'éthylbenzène.
Le styrène monomère est obtenu par vapeur surchauffée (jusqu'à 600 °C) sur un catalyseur à base d'oxyde de fer (III).
La réaction est hautement endothermique et réversible, avec un rendement typique de 88 à 94 %.
Le produit brut éthylbenzène/styrène monomère est ensuite purifié par distillation.
La différence de point d'ébullition entre les deux composés n'étant que de 9 °C à pression ambiante, l'utilisation d'une série de colonnes de distillation est nécessaire.
Cette opération est énergivore et est d'autant plus complexe que le styrène a tendance à se polymériser thermiquement en polystyrène, ce qui nécessite l'ajout continu d'un inhibiteur de polymérisation au système.
Production
Dans la nature, le styrène monomère est très faible dans certaines plantes et leurs fruits (comme la cannelle, les grains de café et les arachides), tandis que le goudron de houille en contient.
Au XIXe siècle, le styrène était initialement séparé des réserves par distillation.
En laboratoire, le styrène est généralement préparé par décarboxylation de l'acide cinnamique.
Le styrène monomère est utilisé comme matière première pour la production industrielle et peut être obtenu par déshydrogénation catalytique de l'éthylbenzène.
La méthode la plus courante pour produire le styrène monomère consiste à catalyser la déshydrogénation de l'éthylbenzène à 550-600 °C.
L'éthylbenzène est mélangé à 10 à 16 fois son volume de vapeur d'eau à haute température, via un lit catalytique en phase solide, pour réaliser la déshydrogénation.
Les principaux sous-produits de la réaction sont le benzène et le toluène. Le procédé de fabrication du monomère de styrène a été développé dans les années 1930 par BASF (Allemagne) et Dow Chemical (États-Unis).
Après des améliorations continues, un catalyseur de la série du fer a été ajouté à divers cocatalyseurs, et la sélectivité du styrène a atteint 95 % en 1978.
Le catalyseur ajouté était principalement un métal alcalin ou alcalino-terreux, tel que le potassium, le vanadium, le molybdène, le tungstène, le cérium et le chrome.
Le réacteur de déshydrogénation de l'éthylbenzène est de deux types : isotherme et adiabatique.
Le réacteur isotherme est un réacteur tubulaire, rarement utilisé.
De nos jours, le réacteur adiabatique est généralement utilisé.
Le procédé comprend deux parties : la déshydrogénation de l'éthylbenzène et la séparation par distillation du styrène.
Actuellement, les technologies de déshydrogénation adiabatique à pression négative les plus matures et les plus développées sont les technologies Lummus et Fina.
La conversion de l'éthylbenzène dans le réacteur est d'environ 35 à 40 %.
La solution de déshydrogénation contient 55 à 60 % d'éthylbenzène, 35 à 40 % de styrène et une petite quantité de benzène, de toluène et de goudron.
Par conséquent, le monomère de styrène est nécessaire pour fractionner les produits styrène par distillation.
Comme les points d'ébullition de l'éthylbenzène et du styrène sont relativement proches, le nombre de plateaux nécessaires à la séparation est plus élevé et le styrène est hautement polymérisable à haute température.
Afin de réduire le risque de polymérisation, l'ajout d'hydroquinone ou d'inhibiteur de soufre peut être utilisé pour réduire la pression. La température de la tour de contrôle ne dépasse pas 90 °C.
Le monomère de styrène est également produit commercialement par le procédé POSM. Le styrène et l'oxyde de propylène sont obtenus à partir d'éthylbenzène et de propylène.
Dans cette voie de production, l'éthylbenzène est oxydé en peroxyde d'éthylbenzène, puis ce peroxyde est utilisé pour oxyder le propylène afin d'obtenir du 1-phényléthanol et de l'oxyde de propylène.
Enfin, le monomère de styrène peut être obtenu après déshydratation du 1-phényléthanol.
Ce procédé se caractérise par la production de 0,4 t d'oxyde de propylène.
Le monomère de styrène ne nécessite pas de température élevée comme la déshydrogénation et évite le problème de la production d'oxyde de propylène par le procédé à la chlorhydrine.
Cependant, le temps de réaction est complexe, les sous-produits sont importants et le procédé technologique est long.
La consommation d'éthylbenzène est supérieure à celle de la déshydrogénation.
Méthodes de production
Le monomère de styrène est obtenu par déshydrogénation de l'éthylbenzène à haute température à l'aide de catalyseurs métalliques : C6H5CH2CH2(g)→ C6H5CH = CH2(g) + H2(g).
Ce procédé est appelé EB/SM (éthylbenzène/styrène monomère).
Le monomère de styrène peut également être obtenu par le procédé PO/SM (oxyde de propylène/styrène monomère).
Ce procédé commence par l'oxydation de l'éthylbenzène (C6H5CH2CH2) en son hydroperoxyde (C6H5CH(OOH)CH3), qui est ensuite utilisé pour oxyder le propylène (CH3CH = CH2) afin de produire de l'oxyde de propylène (CH3CH2CHO) et du phényléthanol (C6H5CH(OH)CH3).
Le phényléthanol est ensuite déshydraté pour donner du styrène et de l'eau.
Le monomère de styrène peut également être synthétisé par réaction de benzène et d'éthylène ou de gaz naturel.
Allergènes de contact
La présence de monomère de styrène dans les aliments emballés est principalement due à sa lixiviation depuis les contenants en polystyrène.
Le polystyrène (PS) est largement utilisé dans la fabrication de matériaux en contact avec les aliments, tels que les barquettes pour la viande, les biscuits et les confiseries, avec des assiettes et des gobelets jetables, etc., et environ 50 % de la consommation de PS était liée aux emballages alimentaires et aux articles de restauration.
Au cours du processus de production, le monomère de styrène peut s'obstruer dans les produits en PS et migrer de ces matériaux vers les aliments.
La vitesse de migration du monomère de styrène depuis les contenants en polystyrène dépend principalement de la lipophilie de l'aliment, de la surface du contenant par volume d'aliment, de la durée du contact et de la température de l'aliment.
Du monomère de styrène a été détecté dans 24 matériaux en contact avec les aliments de différentes catégories (mousse de polystyrène extrudé, polystyrène expansé, polystyrène choc) à des concentrations allant de 9,3 à 3 100 mg/kg, avec une concentration moyenne de 340 mg/kg.
Cette concentration est inférieure à la limite fixée par l'USFDA pour le styrène dans les matériaux d'emballage alimentaire, qui est de 5 000 mg/kg pour les aliments gras et de 10 000 mg/kg pour les aliments aqueux.
De plus, des dimères et trimères de monomère de styrène, également des matières résiduelles produites lors de la polymérisation, ont été détectés.
Du monomère de styrène a été retrouvé dans divers aliments tels que les yaourts, les croissants, les biscuits, le poulet cru et le bœuf cru, mis en contact avec des emballages en polystyrène (barquettes de viande, de biscuits et de chocolats), à des concentrations allant de 2,6 ng/g dans le poulet cru à 163 ng/g dans les biscuits sandwich.
On peut raisonnablement penser que le monomère de styrène est cancérigène pour l'homme.
Plusieurs marques internationales commencent à éliminer progressivement les emballages en mousse de polystyrène de leurs produits.
