Fabrication du verre et utilisations domestiques

A/ Utilisations domestiques du verre

Utilisé depuis des millénaires, maîtrisé depuis des siècles, sans cesse en amélioration, le verre n'a pas finis de nous surprendre. L'utilisation du verre est divers et varié, il est partout autours de nous. Voici les domaines quotidiens dans lequel il est le plus présent :

• La vaisselle :

C'est la première utilisation que l'on fait du verre et aussi la plus ancienne.

En effet, le verre vaisselier est désormais indispensable à chacun. Même si il est principalement présent sous la forme de verre de table il existe bien d’autres utilisations à ce verre ( Casseroles, couvercles, ustensiles.. ). En général, les verres de tables sont des verres sodocalciques, constitués de Silice, de Soude et de Chaux. Les verres au plomb, ou cristal, sont aussi très utilisés dans ce domaine. La différence entre un cristal et un verre de table standard s’explique par l’ajout d’Oxyde de plomb. Ce dernier abaisse le point de fusion, tout en stabilisant le réseau formateur du verre. Il le rend plus éclatant, plus dense et lui offre une sonorité particulière. Par ailleurs, le cristal est plus tendre et modelable, il permet des opérations de tailles plus diversifiés que le verre, c’est pourquoi il est souvent plus travaillé que ce dernier. Ces qualités font de lui une matière haute-gamme apprécié de tous.

ronds noirs: Silice

ronds blancs: Oxygène

représentation schématique bidimensionnelle représentation schématique bidimensionnelle

d’un réseau vitreux d’un réseau cristallin

Le cristal offre un réseau formateur bien plus ordonné expliquant les différences obtenues.

Pour ce qui est des autres ustensiles de verre résistants à la chaleur ( casserole.. ) Ce sont des verres borosilicates, généralement formé de silice, d’anhydride borique, de soude et d’alumine, ces derniers possèdent une bonne résistance aux chocs thermiques.

• Les bâtiments :

Avec bien entendue les vitres, fenêtres, vérandas... Pour ce faire le verre utilisé est du verre

sodocalcique. Pour les vitrages en bâtiments, le type actuellement utilisé est le double vitrage grâce à ses différentes propriétés, notamment d’économie d’énergie.

Le plus utilisé est le double vitrage thermique. Le principe de base est de combiner deux plaques de verres d’une largeur de 4mm séparés par un coussin d’air de 16 mm, aussi appelé 4/16/4. La couche d’air permet la diminution du changement de températures des plaques qui l’entoure.

Schéma du principe de double vitrage thermique

Mais il en existe d’autres tel que le double vitrage phonique, le triple vitrage… Généralement fondés sur le même principe. L’avantage premier des vitrages est qu’il permet de laisser passer la lumière tout en isolant la chaleur.

Dans le secteur des bâtiments on retrouve aussi des isolants fait à base de verre tel que la laine de verre, ou encore la laine de roche, tout deux fabriqué à base de verre et très semblable l’un de l’autre. La laine de verre est un isolant léger et imputrescible, elle est facilement accessible et sans danger pour l'Homme. La laine de verre permet par ailleurs de lutter contre les incendies grâce à son inflammabilité. Elle est poreuse et très élastique, ce qui la rend disponible sous plusieurs formes (panneaux, rouleaux)

La laine de roche, est quand à elle un isolant thermique, phonique ou un absorbant acoustique, elle est connue pour être stérile et, tout comme la laine de verre, pour protéger certains bâtiments contre d'éventuels incendies. L’avantage de cette dernière est qu’elle ne s'use pas avec le temps et qu’elle résiste à certains parasites.

• L'optique :

En effet, le verre peut ajouter à sa liste de qualités, un jeu de réfringence le rendant très utile dans le domaine de l’optique ( Lunettes, lentilles optiques, prismes, miroirs... ) Pour ce faire, on utilise différents verres ( Vitrocéramique, Silice.. ), appelés verres optiques, ils sont de qualités adaptées à la réalisation de systèmes optiques grâce à leurs nombreuses propriétés réfringentes.

Auparavant, les lunettes étaient fabriquées en verre minéral, cité ci-dessus, mais même si ce dernier à l’avantage d’être très résistant aux rayures, son principal défaut est qu’il est très fragile et cassable. Par ailleurs, le poids de ce verre est conséquent.

C’est pourquoi, ils sont désormais peu à peu remplacés par des verres synthétiques tel que les verres en polycarbonate ( très léger et résistant, mais ne correspondant qu’à un fin panel de problèmes de vision ), mais surtout tel que les verres organiques ( Léger et résistant, répondant à presque tous les besoins )

• La Technologie:

On le retrouve finalement dans beaucoup des appareils électronique du quotidien ( écrans, fibres optiques, DVD, disques durs, vitrage de voitures… ). Le plus connu étant les écrans de nos smartphones, ordinateurs… La base de chaque face est une dalle de verre de grande dimension sur laquelle est préparé plusieurs écrans simultanément. Elles sont découpées après l’assemblage, puis collées des deux côtés. Le verre utilisé doit, à la fois, être de faible épaisseur, résister sans déformation aux différents traitements chimiques et thermiques, et surtout sans perdre sa transparence . C’est pour cela que le verre utilisé doit avoir une forte teneur en silice, et sans addition de baryum.

Cette liste non exhaustive montre la partie la plus connue des utilisations verrière, mais son domaine d’utilisation est très vaste étant donné que la quantité de différents verres l’est aussi. La plupart des utilisations de notre quotidien sont fait à base de verre basique et fragile, c'est sûrement pourquoi il a gagné cette réputation.

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B/ Fabrication du verre

Le principal composant du verre est le sable qui est constitué en majeure partie de dioxyde de silicium SiO2. Il est donc composé de silicium et d’oxygène, qui sont par ailleurs les éléments les plus abondants dans la croûte terrestre. Le verre peut être composé de différents éléments comme par exemple de :

• Oxyde d’aluminium Al2O3

• Oxyde de fer 3 Fe2O3

• Oxyde de potassium, K2O

• Fondants ( Soude, Potasse, Chaud… )

• Calcins ( débris de verre recyclé )

• …

Le réseau constitué de silicium ( Si ) et d’oxygènes ( O ) forme «le réseau formateur» du verre. La silice, de formule électronique (K)2 (L)8 (M)4, possédant 4 électrons sur sa couche externe, va donc tendre à respecter la règle de l’octet, pour ce faire il va mettre en commun 4 électrons dans des liaisons covalentes. L’oxygène, lui, possède une formule électronique (K)2 (L)6, et donc 6 électrons sur sa couche externe. Pour satisfaire la règle de l’octet, il va alors créer 2 doublets liants. On retrouve donc principalement une alternance entre oxygène et silice.

représentation schématique bidimensionnelle représentation schématique tridimensionnelle

d’un réseau vitreux d’un réseau vitreux

Les oxygènes sont dits « pontants » si ils servent à relier deux atomes de silicium, sinon ils sont

dit « non-pontants ».

Il existe des éléments dits compensateurs de charge. Ils se font par la substitution de la silice par un oxyde avec un cation de charge électrique proche. Lors de ces cas, le réseau formateur restera assez similaire.

Mais il existe aussi des éléments dits modificateurs de réseau. Cela arrive lors de la substitution de la silice par un oxyde avec un cation de faible charge électrique, ces derniers vont s’associer avec des oxygènes non pontant en réalisant des liaisons ioniques.

En cassant le réseaux formateur, les modificateurs de réseau ont d’importantes conséquences sur les propriétés du verre.

Représentation bidimensionnelle d’un réseau vitreux SiO2 et Na2O

Chaque composant joue donc un rôle important. Selon les proportions dans lesquels on le met et selon le traitements effectués, on n'obtiendra pas le même verre. A titre d’exemple :

• A l'ajout de fondant, la température de fusion du mélange initialement nécessaire

( ~ 1700°C ) diminue par la fragilisation des liaisons atomiques. Cela permet d’atteindre la température de fusion en utilisant beaucoup moins d’énergie.

• Plus la concentration en dioxyde de silicium ( SiO2 ) et la déshydratation du sable sont fortes, plus le verre sera solide et plus la transparence du verre sera forte car cela permet de limiter les impuretés.

• L’oxyde de sodium, ( Na2O ) permet de solidifier les liaisons entre les atomes de silicium et d’oxygène.

• L'oxyde de magnésium, ( MgO ) rend le verre plus résistant

• L'oxyde de fer, ( FeO ) donne au verre une teinte verdâtre

• Une granulométrie fine permettra une texture plus fine et plus douce

Avant la fabrication, plusieurs contrôles ont lieux, comme le contrôle de la composition du sable et le contrôle de la granulométrie de celui-ci.

Le verre est un des matériaux les plus facilement recyclables. De plus, le verre recyclé fond à beaucoup plus basse température que la silice on n'a donc pas besoin de fondants.

Selon le verre souhaité, les étapes de fabrication ne sont pas les mêmes mais la base reste identique, on la retrouve sous la forme d'un cycle :

1. Traitement des matières premières

2. Fonte des ingrédients

3. Formage ( Mise en forme )

4. Traitement thermique du verre

5. Recyclage du verre

6. Recommencement des étapes...

Mais voici plus précisément comment sont fabriqués les verres les plus courants :

• 1. Les verres d'emballage :

Les verres d’emballages sont les verres classiques que l’on retrouve partout dans le commerce (bouteilles, bocaux, flaconnages,…) Ils constituent un secteur dans lequel presque toutes les techniques de fusion appliquées en verrerie sont présente .

Voici la fabrication classique du verre d’emballage :

Schéma des principales étapes de fabrication du verre d’emballage

procédé de formage est séparé en deux phases :

• le formage initial de l'ébauche, qui peut être soufflé ou pressé

• le moulage définitif par soufflage.

Schéma du Procédé Soufflé-soufflé Schéma du Procédé Pressé-soufflé

• 2. Le verre plat :

Pour obtenir du verre plat, on utilise un procédé nommé "float". Le verre plat est évidemment utilisé pour le vitrage mais il peut être plus vastement utilisé, selon l’assemblage et les procédés qu’on lui fait subir après formation ( comme la trempe.. )

Voici les étapes de fabrication de ce dernier en usine :

Schéma du procédé « float » dans un four industriel

1. Les ingrédients sont mélangés à de l'eau et du calcin ( débris de verre recyclé ) .

2. Le tout est chauffé dans un four à 1 550°C en moyenne.

3. Le verre fondu s'étend sur un bain d'étain en fusion. Le verre, possédant une densité inférieur à l'étain flotte et s’étire sur ce dernier, pour être refroidi jusqu’à 500°c.

4. Il est progressivement refroidi dans une arche de recuisson jusqu'à une température de 50°c. Ces arches peuvent aussi être utilisées afin d’améliorer les performances émissives ou solaires du produit, par un dépôt de couches d’oxydes métalliques par exemple.

5. On enlève alors les bords avant de le découper en plaques à l'aide de pointe de diamants.

6. On contrôle ensuite la qualité du verre.

• 3. Le verre pour gobeleterie :

C’est l’un des secteurs les plus diversifiés puisque les consommateurs aiment pouvoir avoir du choix. Les procédés sont variables selon les produit, tout comme les composants puisqu’on y retrouve plusieurs types de verres tel que les verres de plomb, avec notamment le cristal. Presque toutes les techniques de fusion sont utilisées dans ce secteur. Les procédés de formage peuvent être automatisés, semi-automatiques ou manuels. Certains verres possèdent des finitions comme du taillage ou du polissage.. Sinon, la fabrication de verre de table se poursuit en suivant le même procédé que pour les verres d’emballages

• 4. La verrerie d’art :

Le verre est aussi un matériel utilisé à des fins artistiques, la verrerie d’art s’est très largement

répandue ces derniers siècles. Ce sont plus généralement les souffleurs de verre qui le pratique, en utilisant des techniques et des savoir-faire ancestraux, cette technique permet une plus vaste diversité et un rendu plus artistique mais à une moins grande échelle.

De plus, le soin apporté à chaque pièce, permet de la rendre unique.

Pour fabriquer leurs pièces, les artisans verriers composent avec plusieurs étapes. Ils piochent tout d’abord le verre dans un four qui le maintient à l’état de fusion. Exemple de verrerie d’art Avec divers outils, le verre peut être soufflé, moulé, peut subir des étapes de recuisson, mais encore être coloré avec diverses techniques…

• 5. Les autres types de verre :

Les fibres de verre,

Après avoir été fondu, le verre est amené dans des avant-corps, où il passe à travers des filières pour former des fils continus. Les fils sont ensuite réunis et amenés sur un rouleau ou un

convoyeur, sur quoi est appliqué un revêtement aqueux. Les fils sont ensuite bobinés ou coupés pour subir un traitement résultant sur leur utilisation finale.

La laine de verre,

Elle se compose de verre recyclé, de sable, ainsi que d’autres matières naturelles minérales tels que le calcaire ou la dolomie, qui sont par ailleurs des fondants.

Le tout est pesé et mélangé pour ensuite le porter à l’état de fusion dans un four.

Le fibrage est obtenu par le passage sous l’action centrifuge d’une filière rotative suivi d’un étirage complémentaire sous l’action d’une flamme d’un brûleur. Une solution aqueuse à base de résine phénolique est ensuite vaporisée sur les fibres. Ils sont transportées sur un convoyeur, d’où ils ressortent sous forme de fils de verre.

Ces derniers sont pulvérisés de polymère dans un four de polymérisation pour ainsi former un matelas. Il sera ensuite surfacés puis découpés, et finalement conditionné sous forme de rouleaux et de panneaux.

La laine de roche,

Les matières premières sont mélangées et fondues avant d’être transformées en fibres dans des machines à filer. Une solution aqueuse de résine phénolique est ensuite vaporisée sur les fibres. Le reste du procédé est essentiellement identique à celui utilisé pour la laine de verre.

La différence avec la laine de verre est que la laine de roche contient des résidus de roche non fibrés qui la rendent plus lourd.