Fibres de verre

La fibre de verre ( ou fibre de verre ) est un matériau constitué de nombreuses fibres de verre extrêmement fines .

Les verriers à travers l’histoire ont expérimenté avec des fibres de verre, mais la fabrication en masse de la fibre de verre n’a été rendue possible qu’avec l’invention d’une machine-outil plus fine. En 1893, Edward Drummond Libbey exposa une robe à l’ exposition universelle du monde en incorporant des fibres de verre au diamètre et à la texture des fibres de soie . Les fibres de verre peuvent également se produire naturellement, comme les cheveux de Pelé .

La laine de verre , qui est aujourd’hui un produit appelé «fibre de verre», a été inventée en 1932-1933 par Russell Games Slayter d’ Owens-Corning , comme matériau à utiliser comme isolant thermique pour les bâtiments . [1] Il est commercialisé sous le nom commercial Fiberglas, qui est devenu une marque générique . La fibre de verre, lorsqu’elle est utilisée comme matériau isolant thermique, est spécialement fabriquée avec un agent de liaison pour piéger de nombreuses petites cellules d’air, ce qui donne la famille de produits «laine de verre» à basse densité.

La fibre de verre a des propriétés mécaniques à peu près comparables à celles d’autres fibres telles que les polymères et les fibres de carbone . Bien que pas aussi solide ou aussi rigide que la fibre de carbone, il est beaucoup moins cher et nettement moins fragile lorsqu’il est utilisé dans les composites. Les fibres de verre sont donc utilisées comme agent de renforcement pour de nombreux produits polymères ; pour former un matériau composite polymère renforcé de fibres (PRF) très résistant et relativement léger appelé plastique renforcé de fibre de verre (PRV), également connu sous le nom de “fibre de verre”. Ce matériau contient peu ou pas d’air ou de gaz, est plus dense et est un isolant thermique beaucoup plus pauvre que la laine de verre.

La formation de fibres

La fibre de verre est formée lorsque des brins minces de verre à base de silice ou d’un autre verre de formulation sont extrudes en de nombreuses fibres ayant de petits diamètres convenant au traitement des textiles . La technique de chauffage et d’étirage du verre en fibres fines est connue depuis des millénaires; cependant, l’utilisation de ces fibres pour des applications textiles est plus récente. Jusqu’à cette époque, toute la fibre de verre avait été fabriquée en tant que fibre de base (c’est-à-dire en grappes de courtes longueurs de fibres).

La méthode moderne de production de la laine de verre est l’invention de Games Slayter qui travaille à Owens-Illinois Glass Co. ( Toledo, Ohio ). Il a d’abord déposé une demande de brevet pour un nouveau procédé de fabrication de laine de verre en 1933. La première production commerciale de fibre de verre remonte à 1936. En 1938 Owens-Illinois Glass Company et Corning Glass Works ont fusionné pour former Owens-Corning Fiberglas Corporation . Lorsque les deux entreprises se sont associées pour produire et promouvoir la fibre de verre, elles ont introduit des fibres de verre à filament continu . [2] Owens-Corning est toujours le principal producteur de fibre de verre sur le marché aujourd’hui. [3]

Les types les plus courants de fibre de verre utilisée en fibre de verre est du verre E, qui est le verre alumino-borosilicate avec moins de 1% en poids / poids d’ oxydes alcalins, principalement utilisés pour des matières plastiques renforcées de verre. D’ autres types de verre utilisés sont A-verre ( A verre lkali-chaux avec peu ou pas d’ oxyde de bore), E-CR-verre ( E LECTRIQUE / C CHIMIQUE R ésistance; silicate alumino-calcique avec moins de 1% en poids / poids alcalin des oxydes, avec une résistance élevée à l’ acide), C-verre (verre sodocalcique ayant une teneur élevée en oxyde de bore, utilisé pour les fibres discontinues de verre et de l’ isolation), D-verre (verre de borosilicate, du nom de son faible Dielectric constant), R-verre (verre de silicate alumino sans MgO et CaO avec de hautes exigences mécaniques que r einforcement), et S-verre (alumino de verre de silicate sans CaO mais avec une haute teneur en MgO avec une haute résistance à la traction). [4]

La silice pure (dioxyde de silicium), lorsqu’elle est refroidie sous forme de quartz fondu dans un verre sans point de fusion réel, peut être utilisée comme fibre de verre pour fibre de verre, mais présente l’inconvénient de devoir être utilisée à très haute température. Afin d’abaisser la température de travail nécessaire, d’autres matériaux sont introduits en tant que “fondants” (c’est-à-dire, composants pour abaisser le point de fusion). Le verre ordinaire A (“A” pour “alcali-lime”) ou verre sodocalcique, broyé et prêt à être refondu, comme soi-disant verre calcin , était le premier type de verre utilisé pour la fibre de verre. E-glass (“E” à cause de l’ e initialapplication électrique), est sans alcali, et a été la première formulation de verre utilisée pour la formation de filaments continus. Il constitue maintenant la majeure partie de la production de fibre de verre dans le monde et est également le plus grand consommateur de minéraux de bore au monde. Il est sensible aux attaques par ions chlorure et est un mauvais choix pour les applications marines. S-glass (“S” pour “Strength”) est utilisé lorsque la résistance à la traction élevée (module) est importante, et est donc important dans les composites pour la construction de bâtiments et d’avions. La même substance est connue sous le nom de verre R («R» pour «renforcement») en Europe. C-verre (“C” pour “résistance chimique”) et T-verre (“T” pour “isolant thermique” – une variante nord-américaine du verre C) résiste aux attaques chimiques; les deux sont souvent trouvés dans les qualités d’isolation de la fibre de verre soufflée.[5] [5]

Chimie

La base de fibres de verre de qualité textile est la silice , SiO 2 . Dans sa forme pure, il existe sous la forme d’un polymère (SiO 2 ) n . Il n’a pas de point de fusion réel mais ramollit jusqu’à 1200 ° C, où il commence à se dégrader . À 1713 ° C, la plupart des molécules peuvent se déplacer librement. Si le verre est extrudé et refroidi rapidement à cette température, il sera incapable de former une structure ordonnée. [6] Dans le polymère, il forme des groupes SiO 4 qui sont configurés comme un tétraèdre avec le siliciumatome au centre, et quatre atomes d’oxygène dans les coins. Ces atomes forment alors un réseau lié aux coins en partageant les atomes d’ oxygène .

Les états vitreux et cristallins de la silice (verre et quartz ) ont des niveaux d’énergie similaires sur une base moléculaire, ce qui implique également que la forme vitreuse est extrêmement stable. Afin d’induire la cristallisation , il doit être chauffé à des températures supérieures à 1200 ° C pendant de longues périodes. [2]

Bien que la silice pure soit une fibre de verre et de verre parfaitement viable, elle doit être travaillée à des températures très élevées, ce qui est un inconvénient à moins que ses propriétés chimiques spécifiques ne soient nécessaires. Il est habituel d’introduire des impuretés dans le verre sous la forme d’autres matériaux pour abaisser sa température de travail. Ces matériaux confèrent également d’autres propriétés au verre qui peuvent être bénéfiques dans différentes applications. Le premier type de verre utilisé pour la fibre était le verre sodocalcique ou A-glass (“A” pour l’alcali qu’il contient). Il n’est pas très résistant à l’alcali. Un verre de type E , plus récent, sans alcali (<2%), est un verre d’alumino-borosilicate. [7] C-verre a été développé pour résister à l’attaque des produits chimiques, principalement des acides qui détruisent le verre E.[7] Le verre T est une variante nord-américaine du verre C. Le verre AR est un verre résistant aux alcalis. La plupart des fibres de verre ont une solubilité limitéedans l’eau mais sont très dépendantes du pH . Les ions chlorure vont également attaquer et dissoudre les surfaces de verre E.

Le verre E ne fond pas réellement mais se ramollit, le point de ramollissement étant “la température à laquelle une fibre de 0,55-0,77 mm de diamètre 235 mm de long s’allonge sous son propre poids à 1 mm / min lorsqu’il est suspendu verticalement et chauffé à la vitesse de 5 ° C par minute “. [8] Le point de contrainte est atteint lorsque le verre a une viscosité de 10 14,5  poises . Le recuit point, qui est la température où les contraintes internes sont réduites à une limite acceptable commercial en 15 minutes, est marquée par une viscosité de 10 13 poises. [8]

Propriétés

Thermique

Les fibres de verre sont des isolants thermiques utiles en raison de leur rapport élevé de la surface au poids. Cependant, la surface accrue les rend beaucoup plus sensibles aux attaques chimiques. En emprisonnant de l’air à l’intérieur de ceux-ci, des blocs de fibre de verre assurent une bonne isolation thermique , avec une conductivité thermique de l’ordre de 0,05 W / (m · K ). [9]

Tension

Type de fibre Résistance à la traction
(MPa) [10]
Résistance à la compression
(MPa)
Densité
(g / cm 3 )
Expansion thermique
(μm / m · ° C)
Adoucissement T
(° C)
Prix
($ / kg)
E-verre 3445 1080 2,58 5.4 846 ~ 2
Verre S-2 4890 1600 2,46 2,9 1056 ~ 20

La résistance du verre est habituellement testée et rapportée pour les fibres vierges ou vierges, celles qui viennent d’être fabriquées. Les fibres les plus fraîches et les plus minces sont les plus solides car les fibres les plus minces sont plus ductiles. Plus la surface est rayée, moins la ténacité résultante . [7] Parce que le verre a une structure amorphe , ses propriétés sont les mêmes le long de la fibre et à travers la fibre. [6] L’ humidité est un facteur important dans la résistance à la traction. L’humidité est facilement adsorbée et peut aggraver les fissures microscopiques et les défauts de surface, et diminuer la ténacité.

Contrairement à la fibre de carbone , le verre peut subir plus d’allongement avant de se rompre. [6] Les filaments plus fins peuvent se plier davantage avant de se rompre. [11] La viscosité du verre fondu est très importante pour le succès de fabrication. Au cours de l’étirage, le processus où le verre chaud est tiré pour réduire le diamètre de la fibre, la viscosité doit être relativement faible. Si elle est trop élevée, la fibre se rompra pendant le dessin. Cependant, s’il est trop bas, le verre formera des gouttelettes au lieu d’être aspiré dans une fibre.

Processus de fabrication

Fusion

Il existe deux principaux types de fabrication de fibres de verre et deux principaux types de fibres de verre. Tout d’abord, la fibre est faite soit à partir d’un processus de fusion directe ou d’un processus de refusion de marbre . Les deux commencent avec les matières premières sous forme solide. Les matériaux sont mélangés ensemble et fondus dans un four . Ensuite, pour le processus de marbre, le matériau fondu est cisaillé et roulé en billes qui sont refroidies et emballées. Les billes sont amenées à l’usine de fabrication de fibres où elles sont insérées dans une boîte et refondues. Le verre fondu est extrudé sur la traversée pour être transformé en fibre. Dans le processus de fusion directe, le verre fondu dans le four va directement à la douille pour la formation. [8]

Formation

La plaque de traversée est la partie la plus importante de la machine pour fabriquer la fibre. Ceci est un petit four métallique contenant des buses pour la fibre à former à travers. Il est presque toujours fait de platine allié au rhodium pour la durabilité. Le platine est utilisé parce que le verre fondu a une affinité naturelle pour le mouiller . Lorsque les baguesont été utilisés pour la première fois, ils étaient 100% platine, et le verre mouillait si bien la bague qu’elle coulait sous la plaque après avoir quitté la buse et s’était accumulée sur la face inférieure. Aussi, en raison de son coût et de sa tendance à l’usure, le platine était allié au rhodium. Dans le processus de fusion directe, la bague sert de collecteur pour le verre fondu. Il est chauffé légèrement pour maintenir le verre à la bonne température pour la formation de fibres. Dans le processus de fusion du marbre, la bague agit plus comme un four car elle fait fondre plus de matériau. [12]

Les bagues sont la dépense majeure dans la production de fibre de verre. La conception de la buse est également critique. Le nombre de buses varie de 200 à 4000 par multiples de 200. La partie importante de la buse dans la fabrication de filaments continus est l’épaisseur de ses parois dans la région de sortie. Il a été trouvé que l’insertion d’un contre – alésage réduit ici le mouillage. Aujourd’hui, les buses sont conçues pour avoir une épaisseur minimale à la sortie. Lorsque le verre traverse la buse, il forme une goutte qui est suspendue à la fin. Comme il tombe, il laisse un fil attaché par le ménisqueà la buse tant que la viscosité est dans la plage correcte pour la formation de fibres. Plus la bague annulaire de la buse est petite et plus la paroi est mince à la sortie, plus la goutte se formera et tombera rapidement, et plus sa tendance à mouiller la partie verticale de la buse sera faible. [13]La tension superficielle du verre est ce qui influence la formation du ménisque. Pour le verre E, il devrait être d’environ 400 mN / m. [7]

La vitesse d’atténuation (dessin) est importante dans la conception de la buse. Bien que le ralentissement de cette vitesse puisse rendre la fibre plus grossière, il n’est pas économique de fonctionner à des vitesses pour lesquelles les buses n’ont pas été conçues. [2]

Procédé de filament continu

Dans le processus de filament continu, après que la fibre est dessinée, une taille est appliquée. Cette taille aide à protéger la fibre lorsqu’elle est enroulée sur une bobine. La taille particulière appliquée concerne l’utilisation finale. Alors que certaines tailles sont des auxiliaires de traitement, d’autres font que la fibre a une affinité pour une certaine résine, si la fibre doit être utilisée dans un composite. [8] La taille est habituellement ajoutée à 0,5-2,0% en poids. L’enroulement a ensuite lieu à environ 1 km / min. [6]

Processus de fibres discontinues

Pour la production de fibres discontinues, il existe plusieurs façons de fabriquer la fibre. Le verre peut être soufflé ou soufflé à la chaleur ou à la vapeur après avoir quitté la machine de formation. Habituellement, ces fibres sont transformées en une sorte de tapis. Le processus le plus commun utilisé est le processus rotatif. Ici, le verre pénètre dans un essoreur rotatif et, à cause de la force centrifuge, il est projeté horizontalement. Les jets d’air le poussent verticalement et le liant est appliqué. Ensuite, le tapis est aspiré à un écran et le liant est durci dans le four. [14]

Sécurité

La fibre de verre a gagné en popularité depuis la découverte que l’ amiante cause le cancer et son retrait subséquent de la plupart des produits. Cependant, la sécurité de la fibre de verre est également remise en question, car la recherche montre que la composition de ce matériau (l’amiante et la fibre de verre sont toutes deux des fibres de silicate) peut provoquer une toxicité similaire à celle de l’amiante. [15] [16] [17] [18]

Des études menées sur des rats dans les années 1970 ont révélé que le verre fibreux de moins de 3 μm de diamètre et de plus de 20 μm de long est un «cancérogène puissant». [15] De même, le Centre international de recherche sur le cancer a conclu qu’il «pourrait raisonnablement être considéré comme cancérogène» en 1990. La Conférence américaine des hygiénistes industriels gouvernementaux , d’autre part, dit qu’il n’y a pas suffisamment de preuves, et que la fibre est dans le groupe A4: “Non classable comme cancérogène pour l’homme” .

L’ Association nord-américaine des fabricants d’isolants (NAIMA) affirme que la fibre de verre est fondamentalement différente de l’amiante, car elle est artificielle et non naturelle. [19] Ils affirment que la fibre de verre “se dissout dans les poumons”, tandis que l’amiante reste dans le corps à vie. Bien que la fibre de verre et l’amiante soient fabriquées à partir de filaments de silice, NAIMA affirme que l’amiante est plus dangereux en raison de sa structure cristalline, ce qui le fend en morceaux plus petits et plus dangereux, citant le ministère américain de la Santé .

Les fibres vitreuses synthétiques [fibre de verre] diffèrent de l’amiante de deux façons qui peuvent fournir des explications au moins partielles de leur toxicité inférieure. Parce que la plupart des fibres vitreuses synthétiques ne sont pas cristallines comme l’amiante, elles ne se divisent pas longitudinalement pour former des fibres plus minces. Ils ont généralement nettement moins de biopersistance dans les tissus biologiques que les fibres d’amiante, car ils peuvent subir une dissolution et une rupture transversale. [20]

Une étude de 1998 sur des rats ont constaté que la biopersistance des fibres synthétiques après un an était de 0,04 à 10%, mais 27% pour l’ amosite amiante. Les fibres qui persistaient plus longtemps étaient plus cancérigènes. [21]

Plastique renforcé de fibre de verre (fibre de verre)

Article principal: Fibre de verre

Plastique renforcé de verre (GRP) est un matériau composite ou en matière plastique renforcée par des fibres en une matière plastique renforcée par des fibres de verre fines. Comme le plastique renforcé de graphite , le matériau composite est communément appelé fibre de verre . Le verre peut être sous la forme d’un tapis de brin haché (CSM) ou d’un tissu tissé. [4] [22]

Comme beaucoup d’autres matériaux composites (comme le béton armé ), les deux matériaux agissent ensemble, chacun surmontant les déficits de l’autre. Alors que les résines plastiques sont fortes en charge de compressionet relativement faibles en résistance à la traction , les fibres de verre sont très fortes en traction mais ne tendent pas à résister à la compression. En combinant les deux matériaux, le GRP devient un matériau qui résiste bien aux forces de compression et de traction. [23] Les deux matériaux peuvent être utilisés uniformément ou le verre peut être placé spécifiquement dans les parties de la structure qui subiront des charges de traction. [4] [22]

Utilise

Les utilisations pour la fibre de verre régulière incluent des nattes et des tissus pour l’ isolation thermique , l’isolation électrique , l’isolation acoustique, les tissus à haute résistance ou les tissus résistants à la chaleur et à la corrosion. Il est également utilisé pour renforcer divers matériaux, tels que les poteaux de tente, saut à la perche des poteaux, des flèches , des arcs et des arbalètes , des panneaux de toiture translucide, automobile corps, bâtons de hockey , planches de surf , bateau coques et nid d’ abeille en papier . Il a été utilisé à des fins médicales dans les moulages. La fibre de verre est largement utilisée pour fabriquer des réservoirs et des cuves en PRF . [4][22]

Des grilles de fibres de verre à armure ouverte sont utilisées pour renforcer le revêtement en asphalte. [24] Les nattes non-tissées de fibre de verre / mélange de polymère sont utilisées saturées avec l’émulsion d’asphalte et recouverte d’asphalte, produisant une membrane imperméable et résistante aux fissures. L’utilisation de barres d’armature en polymère renforcé de fibres de verre à la place des barres d’armature en acier est prometteuse dans les zones où l’on souhaite éviter la corrosion de l’acier. [25]

Rôle du recyclage dans la fabrication de fibres de verre

Les fabricants d’isolants en fibre de verre peuvent utiliser du verre recyclé. La fibre de verre recyclée contient jusqu’à 40% de verre recyclé. [26] [27]

Voir aussi

  • Fibre de basalte
  • Fibre de carbone
  • BS4994
  • Matériaux composites
  • Fibre de verre
  • Moulage de fibre de verre
  • Ruban de filament
  • Gelcoat
  • Béton armé de fibres de verre (GFRC ou GRC)
  • Microsphère de verre
  • Polissage du verre
  • Laine de verre
  • Fibre optique
  • Les cheveux de Pelé , fibre de verre naturelle.

Notes et références

  1. Jump up^ Brevet Slayter pour la laine de verre. Application 1933, accordée en 1938.
  2. ^ Aller jusqu’à:c Loewenstein, KL (1973). La technologie de fabrication des fibres de verre continues . New York: Elsevier scientifique. pp. 2-94. ISBN  0-444-41109-7 .
  3. Jump up^ “Une étude de marché et une analyse d’impact de l’acquisition par Owens Corning de l’activité Renforcement et Composites de Saint-Gobain” . Août 2007. Archivé de l’original le 2009-08-15 . Récupéré le 2009-07-16 .
  4. ^ Aller jusqu’à:d E. Fitzer; et al. (2000). “Fibres, 5. Synthétiques Inorganiques”. Encyclopédie de Ullmann de la chimie industrielle . Weinheim, Allemagne: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. doi : 10.1002 / 14356007.a11_001 . ISBN  3527306730 .
  5. ^ Aller jusqu’à:un b fibre de verre . Redorbit.com (2014-06-20). Récupéré le 2016-06-02.
  6. ^ Aller jusqu’à:d Gupta, VB; VK Kothari (1997). Technologie de fibre manufacturée. Londres: Chapman et Hall. pp. 544-546. ISBN  0-412-54030-4 .
  7. ^ Aller jusqu’à:d Volf, Milos B. (1990). Approche technique du verre . New York: Elsevier. ISBN  0-444-98805-X .
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  9. Aller^ Frank P. Incropera; David P. De Witt (1990). Fondamentaux de transfert de chaleur et de masse (3e éd.). John Wiley & Sons . pp. A11. ISBN  0-471-51729-1 .
  10. Aller↑ Frederick T. Wallenberger; Paul A. Bingham (octobre 2009). Technologie de fibre de verre et de verre: Compositions et applications favorables à l’énergie . Springer. pp. 211-. ISBN  978-1-4419-0735-6 . Récupéré le 29 avril 2011 .
  11. Aller^ Hillermeier KH, Melli et Textilberichte 1/1969, Dortmund-Mengede, pp. 26-28, “La fibre de verre-ses propriétés liées au diamètre de fibre de filament”.
  12. Sautez^ Loewenstein, KL (1973). La technologie de fabrication des fibres de verre continues . New York: Elsevier scientifique. p. 91. ISBN  0-444-41109-7 .
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  20. Jump up^ Profil toxicologique des fibres synthétiques vitreuses(Ministère de la Santé et des Services sociaux des États-Unis, Services de santé publique, Registre des substances toxiques et des maladies), septembre 2004, p. 17.
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  23. Aller^ Erhard, Gunter. Concevoir avec des plastiques. Trans. Martin Thompson. Munich: Hanser Publishers, 2006.
  24. Jump up^ “Fissure réfléchissante traitée avec GlasGrid” (PDF) . Nouvelles CTIP. Administration fédérale des autoroutes. 2010 . Récupéré le 1er septembre 2013 .
  25. Aller^ ^ “Steel Versus Rebars GFRP?” . Routes publiques . Administration fédérale des autoroutes. Septembre-octobre 2005 . Récupéré le 1er septembre 2013 .
  26. Jump up^ Un nouvel effort de recyclage vise à pousser KC à devenir vert avec son verre, Kansas City Star, 14 octobre 2009
  27. Jump up^ FAQ sur l’isolation en fibre de verre. Association des fabricants d’isolants nord-américains