Qu'est-ce que le polyuréthane ?

Le polyuréthane (PU) est une famille de matières plastiques (polymères) qui se forment lorsque deux composants liquides, un polyol et un isocyanate, réagissent l'un avec l'autre. En faisant varier le type et la proportion des composants, la même chimie donne une mousse souple de rembourrage, une mousse rigide d'isolation, un revêtement flexible ou une pièce moulée résistante. C'est pourquoi une mousse de matelas, un panneau de chambre froide et l'isolation d'un réfrigérateur appartiennent à la même famille de matériaux.

1. Comment se forme le polyuréthane

Le polyuréthane est élaboré à partir de deux matières premières principales : un polyol et un isocyanate. Un polyol est une molécule porteuse d'au moins deux groupes hydroxyle (OH). L'isocyanate est le plus souvent du MDI ou du TDI et porte au moins deux groupes NCO réactifs. Lorsque les deux sont mélangés, une réaction exothermique démarre et forme des liaisons uréthane qui relient les molécules entre elles. Le polymère tient son nom de cette liaison.

Un système bicomposant : composant A et composant B

Dans l'industrie, le polyuréthane est généralement fourni sous forme de système bicomposant. En Europe et en Turquie, le composant A est le plus souvent le polyol formulé, c'est-à-dire déjà mélangé avec les catalyseurs, les tensioactifs, les agents gonflants et les autres additifs, et le composant B est l'isocyanate adapté à ce mélange. En Amérique du Nord, les lettres sont souvent employées dans l'autre sens : il faut donc toujours se fier aux étiquettes des fûts et aux fiches techniques. Une machine de dosage mélange les deux composants selon un rapport défini et envoie le mélange dans un moule, sur une ligne de panneaux ou directement sur la surface à isoler.

Comment la mousse se forme

Deux réactions se déroulent en même temps lors de la fabrication d'une mousse. Dans la réaction de gélification, le polyol et l'isocyanate construisent le réseau polymère. Dans la réaction de gonflement, l'isocyanate réagit avec l'eau et libère du dioxyde de carbone. Ce gaz, avec les éventuels agents gonflants physiques présents dans le système (du pentane ou un HFO, par exemple), transforme le mélange liquide en mousse. L'équilibre entre les deux réactions détermine la structure cellulaire et la densité de la mousse. L'amine formée lors de la réaction de gonflement réagit avec davantage d'isocyanate et forme des liaisons urée ; la plupart des mousses contiennent donc quelques groupes urée à côté des groupes uréthane.

Pourquoi une même chimie donne autant de produits

Des chaînes de polyol longues et souples donnent des produits mous qui reprennent leur forme. Des polyols courts et très ramifiés construisent une structure rigide, fortement réticulée. De petites variations de la formulation modifient directement la densité, la dureté, le pouvoir isolant et le temps de durcissement. C'est pourquoi on parle du polyuréthane comme d'un système adapté à chaque application, et non comme d'un produit unique. Notre guide Polyol et isocyanate présente plus en détail les deux matières premières.

Un bref historique

Le polyuréthane a été obtenu pour la première fois en 1937 par Otto Bayer et ses collaborateurs chez IG Farben, à Leverkusen, en Allemagne. Il a été employé à petite échelle pendant la Seconde Guerre mondiale, par exemple comme revêtement d'avions, puis les mousses rigides, les élastomères, les adhésifs et les mousses souples se sont répandus à partir des années 1950. Aujourd'hui, c'est l'un des grands plastiques : la production mondiale s'élevait à environ 25 millions de tonnes en 2019, soit 6 % environ de l'ensemble des polymères.

2. Les types de polyuréthane

Dans le langage courant, « polyuréthane » désigne le plus souvent une mousse de rembourrage ou une mousse d'isolation. Pourtant, la même chimie couvre des groupes de produits très différents :

Mousse polyuréthane souple (mousse de rembourrage)

Mousse souple à cellules ouvertes qui reprend sa forme après avoir été comprimée, utilisée dans l'ameublement, les matelas et les sièges automobiles. Elle est soit coulée en grands blocs (mousse en bloc, ou slabstock) puis découpée, soit moulée. Selon l'application, sa densité va d'environ 10 à 300 kg/m³.

La mousse souple est élaborée avec des polyols polyéther ou polyester. En règle générale, les types polyéther résistent mieux à l'eau, tandis que les types polyester résistent mieux aux solvants et à l'abrasion. La densité (en toute rigueur, la masse volumique) est la masse de mousse par mètre cube (kg/m³). Elle ne décrit pas à elle seule la fermeté, car la dureté se mesure séparément (par exemple par indentation, selon la norme ISO 2439) : deux mousses de même densité peuvent donc donner une sensation différente.

Mousse viscoélastique (à mémoire de forme)

Mousse souple qui reprend lentement sa forme après avoir été comprimée. Comme elle épouse la forme du corps, on l'emploie dans les matelas, les oreillers et les coussins médicaux.

Mousse polyuréthane rigide : PUR et PIR

Mousse légère, à cellules en majorité fermées, au pouvoir isolant élevé. Elle sert dans les panneaux sandwich, les panneaux de chambre froide, les réfrigérateurs, les carrosseries frigorifiques et les ballons d'eau chaude. Le PIR (polyisocyanurate) est une mousse rigide élaborée avec un excès d'isocyanate qui forme des structures cycliques et se montre plus stable à la chaleur. Les deux se distinguent par le rapport entre l'isocyanate et le polyol (l'indice) : le PUR est fabriqué à un indice proche de 100, le PIR à un indice nettement plus élevé, généralement supérieur à 180. Le nom seul ne suffit pas à connaître la classe de réaction au feu ; celle-ci figure dans le rapport de classement du produit. Notre guide Isolation PIR ou PUR compare les deux.

Mousse polyuréthane projetée

Les deux composants sont projetés sur site avec une machine de projection, et la mousse monte en quelques secondes. Sur les toitures, les façades et les bâtiments de stockage, elle forme une couche isolante continue, avec peu de joints, voire aucun.

Mousse à peau intégrale

Système qui forme, en une seule coulée dans le moule, une peau extérieure dense et un cœur de mousse plus léger. On l'utilise pour les volants, les accoudoirs, les éléments de mobilier et les produits décoratifs.

Élastomères, revêtements et adhésifs

Le polyuréthane existe aussi sous des formes qui ne sont pas des mousses : pièces en élastomère résistantes à l'usure, comme les roues et les rouleaux, revêtements de sols et de surfaces, adhésifs et mastics. Le polyuréthane thermoplastique (TPU), que la chaleur permet de remettre en forme, appartient à la même famille.

Polyuréthane et polyurée : quelle différence ?

Le polyuréthane se forme lorsqu'un isocyanate réagit avec un polyol ; la polyurée se forme lorsqu'un isocyanate réagit avec une amine. La polyurée durcit très vite et s'applique généralement avec des machines de projection à chaud et à haute pression, pour l'étanchéité et les revêtements de protection. Il existe aussi des systèmes hybrides qui associent les deux. Pour savoir comment les applicateurs choisissent, voir Mousse projetée ou polyurée : comment choisir.

La mousse expansive en bombe est-elle aussi du polyuréthane ?

Oui. La plupart des bombes de mousse vendues en magasin de bricolage contiennent une mousse polyuréthane monocomposant qui durcit au contact de l'humidité de l'air. Elles diffèrent des systèmes bicomposants que l'industrie emploie pour fabriquer des panneaux, des mousses de rembourrage et des pièces moulées. Tant qu'elle n'a pas durci, la mousse d'une bombe contient de l'isocyanate réactif : portez donc des gants et une protection oculaire, aérez la pièce et suivez les avertissements indiqués sur la bombe.

3. Principales propriétés

Les propriétés du polyuréthane dépendent de son type, de sa densité et de sa formulation ; chaque point ci-dessous concerne donc le groupe de produits qu'il nomme :

• Isolation thermique : le polyuréthane rigide à cellules fermées compte parmi les matériaux isolants courants dont la conductivité thermique est la plus faible. PU Europe, l'association de l'industrie européenne de l'isolation en polyuréthane (PUR/PIR), indique qu'un isolant en polyuréthane rigide muni de parements peut atteindre une conductivité thermique (λ) très basse, de 0,022 à 0,028 W/mK, selon les parements et l'épaisseur. Plus le λ est faible, moins la chaleur traverse le matériau, et la même isolation demande donc une couche plus mince. Il s'agit d'une plage de référence de la profession, et non de la valeur déclarée d'un produit en particulier.
• Légèreté et résistance : selon PU Europe, environ 97 % du volume d'une mousse polyuréthane rigide est du gaz emprisonné, ce qui explique sa grande légèreté. Sa résistance mécanique augmente avec la densité. Dans un panneau sandwich, elle adhère fermement aux parements métalliques et forme l'âme qui assure la cohésion du panneau.
• Eau et humidité : la mousse rigide à cellules fermées n'absorbe presque pas d'eau, alors que la mousse souple à cellules ouvertes l'absorbe. La perméabilité à la vapeur d'eau varie d'un produit à l'autre : vérifiez donc la valeur sur la fiche technique.
• Chaleur et lumière du soleil : la tenue à la chaleur dépend du produit, si bien qu'aucune valeur unique ne s'applique à tous les polyuréthanes. Les polyuréthanes élaborés avec des isocyanates aromatiques jaunissent au soleil et ne doivent pas rester exposés sans protection ; les revêtements qui doivent conserver leur couleur font appel à des systèmes aliphatiques.
• Durée de vie : PU Europe indique que la mousse polyuréthane rigide a une durée de vie utile de 50 ans et plus, et l'ISOPA fait état de plus de 50 ans pour l'isolation des bâtiments. Ce sont des déclarations de la profession, et non une garantie pour un produit en particulier.

4. À quoi sert le polyuréthane ?

En bref, le polyuréthane isole les bâtiments, les chambres froides et les réfrigérateurs, rembourre les meubles, les matelas et les sièges automobiles, et sert dans les revêtements, les adhésifs et de nombreuses pièces moulées.

Pour les pièces moulées, un agent de démoulage aide la pièce à se démouler proprement. JiTPOL fournit des systèmes pour l'isolation, la mousse de rembourrage, la peau intégrale et les applications par projection : voir nos systèmes rigides, souples, viscoélastiques, à peau intégrale et à projeter.

5. Le polyuréthane est-il toxique ?

La réponse dépend de ce dont on parle : le produit fini ou les matières premières.

Le produit fini et durci

Selon la fiche d'information sur les matériaux d'EUROPUR, l'association européenne des fabricants de blocs de mousse souple de polyuréthane, la mousse polyuréthane souple durcie est classée comme un article et non comme une substance dangereuse, et aucun effet sur la peau ni sur la respiration n'est connu en usage normal. Il convient néanmoins d'utiliser une protection adaptée contre les poussières produites lors de la découpe ou du ponçage de la mousse, et des gants pour travailler une mousse fraîchement fabriquée. Cette affirmation concerne la mousse souple ; pour la mousse rigide, la mousse projetée et les autres produits en polyuréthane, consultez les fiches de données propres à chaque produit.

Les matières premières et les personnes qui les transforment

Les isocyanates, matière première, peuvent provoquer une sensibilisation allergique de la peau et des voies respiratoires. Ils doivent être manipulés par du personnel formé, dans des locaux bien ventilés et avec des équipements de protection individuelle adaptés. Dans l'Union européenne, le règlement (UE) 2020/1149 impose aux utilisateurs industriels et professionnels de produits contenant 0,1 % en poids ou plus de diisocyanates de suivre une formation avant utilisation ; cette obligation s'applique depuis le 24 août 2023, et la formation doit être renouvelée au moins tous les cinq ans. Lisez toujours la fiche de données de sécurité (FDS) de chaque produit.

La combustion

La combustion du polyuréthane dégage une fumée épaisse et des gaz toxiques : il ne faut donc jamais brûler les déchets de polyuréthane à l'air libre.

6. Le polyuréthane est-il inflammable ?

Oui, le polyuréthane est un matériau combustible. Son comportement en cas d'incendie dépend du type de produit, de sa densité, de la présence éventuelle d'ignifugeants et de la façon dont il est intégré au panneau ou à la paroi. En Europe, la classe de réaction au feu d'un produit de construction est déterminée par des essais et classée selon la norme EN 13501-1 ; elle figure dans le rapport de classement et dans la déclaration de performance du produit. Fiez-vous à ces documents, et non à des formules générales comme « polyuréthane ininflammable ». Une mention comme « ignifugé » ne renvoie souvent qu'à des essais d'inflammation à petite échelle et ne décrivent pas le danger lors d'un grand incendie.

7. Polyuréthane et autres matériaux isolants

Par rapport au polystyrène expansé (PSE), au XPS et à la laine de roche, la différence la plus nette du polyuréthane rigide tient à sa faible conductivité thermique, qui donne la même isolation avec une couche plus mince. Lorsque l'épaisseur et le poids comptent, comme dans les panneaux et les chambres froides, cette différence décide du choix. La laine de roche, en revanche, est généralement classée incombustible (Euroclasse A1 ou A2 ; vérifiez la déclaration de performance du produit) et peut être préférée lorsque la classe de réaction au feu est le critère prioritaire. Le bon choix dépend du pouvoir isolant requis, de l'épaisseur, des conditions d'humidité, des exigences de sécurité incendie et du budget ; comparez chaque matériau d'après sa propre valeur λ déclarée.

8. Environnement et recyclage

La plupart des polyuréthanes sont des thermodurcissables : leur structure réticulée ne permet pas de les fondre pour les remettre en forme (le polyuréthane thermoplastique, TPU, fait exception). Ils sont donc plus difficiles à recycler que les thermoplastiques, mais ils peuvent l'être. Les chutes de mousse souple sont broyées, puis liées à nouveau (mousse agglomérée, dite « rebonded ») pour fabriquer des produits tels que des sous-couches de moquette. Des méthodes chimiques comme la glycolyse décomposent la mousse en un produit riche en polyol, qui peut remplacer en partie le polyol neuf. Les déchets non recyclables peuvent faire l'objet d'une valorisation énergétique par incinération contrôlée, avec filtration des émissions ; les brûler à l'air libre n'est jamais acceptable. Selon l'ISOPA, les taux de recyclage restent faibles, en raison du nombre limité d'installations et de coûts élevés. Dans les mousses isolantes, les agents gonflants qui nuisaient à la couche d'ozone (d'abord les CFC, puis les HCFC) ont été progressivement supprimés ; en Europe, ils ont été remplacés principalement par le pentane, et certains systèmes emploient des agents de type HFO. Pour plus de détails, consultez notre guide Recyclage du polyuréthane : mécanique et chimique.

9. Comment choisir le bon système

Le polyuréthane à employer dépend du produit que vous fabriquez et de la façon dont vous le fabriquez. Ces questions mènent au bon système :

• Quel est le produit, et de quoi a-t-il besoin : isolation, dureté, confort ou résistance ?
• Quelle est la méthode de production : ligne de panneaux en continu, coulée en moule, mousse en bloc, injection ou projection ?
• Quels sont la densité et le temps de durcissement nécessaires ?
• Sur quelles surfaces la mousse doit-elle adhérer, et dans quelles conditions sera-t-elle produite ?
• Quelle classe de réaction au feu, quel essai ou quel certificat est exigé ?

Les entreprises qui développent des systèmes bicomposants prêts à l'emploi pour répondre à ces questions s'appellent des formulateurs de systèmes PU. JiTPOL est un formulateur de systèmes PU établi à Bursa, qui développe et fournit de tels systèmes. Nous pouvons vous aider à choisir un système et vous envoyer la fiche technique et la fiche de données de sécurité (FDS) dont vous avez besoin.

Questions fréquentes

Sources

1. ISOPA : qu'est-ce que le polyuréthane ? (en anglais)
2. ISOPA : questions fréquentes sur le polyuréthane (en anglais)
3. PU Europe : isolation en polyuréthane (en anglais)
4. EUROPUR : fiche d'information sur les matériaux, mousse souple de polyuréthane
5. Fiche d'information ISOPA : mousse souple agglomérée, ou rebonded (en anglais)
6. Wikipédia : polyuréthane
7. OSHA : dangers des isocyanates (en anglais)
8. Règlement (UE) 2020/1149 de la Commission (diisocyanates, annexe XVII de REACH)