Comment est fabriquée la fibre de verre ?

La fibre de verre désigne un ensemble de produits fabriqués à partir de fibres de verre individuelles assemblées sous diverses formes. On distingue deux grands groupes de fibres de verre selon leur géométrie : les fibres continues, utilisées pour les fils et les textiles, et les fibres discontinues (courtes), utilisées sous forme de nappes, de couvertures ou de panneaux pour l’isolation et la filtration. La fibre de verre peut être transformée en fil, à l’instar de la laine ou du coton, puis tissée pour obtenir un tissu parfois utilisé pour les rideaux. Les textiles en fibre de verre sont couramment utilisés comme matériau de renforcement pour les plastiques moulés et stratifiés. La laine de fibre de verre, matériau épais et duveteux composé de fibres discontinues, est utilisée pour l’isolation thermique et l’absorption acoustique. On la retrouve fréquemment dans les cloisons et les coques des navires et des sous-marins ; les compartiments moteur et les revêtements de carrosserie des automobiles ; les chaudières et les climatiseurs ; les panneaux acoustiques muraux et de plafond ; et les cloisons architecturales. La fibre de verre peut être adaptée à des applications spécifiques : le type E (électrique), utilisé comme ruban isolant électrique, textile et renfort ; le type C (chimique), qui présente une résistance supérieure aux acides ; et le type T, pour l’isolation thermique.

Bien que l'utilisation commerciale de la fibre de verre soit relativement récente, des artisans créaient des filaments de verre pour décorer des coupes et des vases dès la Renaissance. En 1713, le physicien français René-Antoine Ferchault de Réaumur produisit des textiles ornés de fins filaments de verre, et des inventeurs britanniques réitérèrent l'exploit en 1822. Un tisserand de soie britannique fabriqua un tissu de verre en 1842, et un autre inventeur, Edward Libbey, exposa une robe tissée de verre à l'Exposition universelle de Chicago de 1893.

La laine de verre, une masse duveteuse de fibres discontinues de longueurs aléatoires, a été produite pour la première fois en Europe au début du XXe siècle, selon un procédé consistant à étirer les fibres horizontalement à partir de barres sur un tambour rotatif. Plusieurs décennies plus tard, un procédé de filage a été mis au point et breveté. L'isolation en fibre de verre a été fabriquée en Allemagne pendant la Première Guerre mondiale. Aux États-Unis, dans les années 1930, la recherche et le développement visant la production industrielle de fibres de verre ont progressé sous l'impulsion de deux grandes entreprises : Owens-Illinois Glass Company et Corning Glass Works. Ces sociétés ont mis au point une fibre de verre fine, souple et économique en étirant du verre en fusion à travers de très fins orifices. En 1938, elles ont fusionné pour former Owens-Corning Fiberglas Corp. Aujourd'hui simplement connue sous le nom d'Owens-Corning, cette entreprise réalise un chiffre d'affaires annuel de 3 milliards de dollars et est un leader sur le marché de la fibre de verre.

Matières premières

Les matières premières de base pour les produits en fibre de verre sont composées de divers minéraux naturels et de produits chimiques de synthèse. Les principaux ingrédients sont le sable siliceux, le calcaire et le carbonate de sodium. Parmi les autres ingrédients, on peut citer l'alumine calcinée, le borax, le feldspath, la syénite néphélinique, la magnésite et l'argile kaolinique. Le sable siliceux sert de formateur de verre, tandis que le carbonate de sodium et le calcaire contribuent principalement à abaisser la température de fusion. D'autres ingrédients sont utilisés pour améliorer certaines propriétés, comme le borax pour la résistance chimique. Le verre recyclé, également appelé calcin, est aussi utilisé comme matière première. Ces matières premières doivent être pesées avec précision et mélangées soigneusement (procédé appelé dosage) avant d'être fondues pour obtenir du verre.

La fabrication
Processus

Fusion

Une fois le lot préparé, il est introduit dans un four pour la fusion. Ce four peut être chauffé à l'électricité, au combustible fossile ou par une combinaison des deux. La température doit être contrôlée avec précision afin de garantir un flux de verre régulier et constant. Le verre en fusion doit être maintenu à une température plus élevée (environ 1 371 °C) que les autres types de verre pour pouvoir être transformé en fibre. Une fois fondu, le verre est transféré vers l'équipement de formage par un canal (avant-foyer) situé à l'extrémité du four.

Se transformer en fibres

Plusieurs procédés permettent de fabriquer des fibres, selon leur type. Les fibres textiles peuvent être formées à partir de verre en fusion directement sorti du four, ou bien le verre en fusion peut être préalablement introduit dans une machine qui forme des billes de verre d'environ 1,6 cm de diamètre. Ces billes permettent un contrôle visuel du verre afin de détecter d'éventuelles impuretés. Dans les deux procédés, le verre ou les billes de verre sont acheminés à travers des filières chauffées électriquement. Ces filières sont en platine ou en alliage métallique et comportent de 200 à 3 000 orifices très fins. Le verre en fusion traverse ces orifices et s'écoule sous forme de fins filaments.

procédé à filament continu

Le procédé de filament continu permet de produire une fibre longue et continue. Après que le verre s'écoule à travers les orifices de la filière, plusieurs brins sont enroulés sur un bobinoir à grande vitesse. Ce dernier tourne à environ 3 km/min, soit bien plus vite que le débit du verre sortant des filières. La tension extrait les filaments encore fondus, formant des brins dont le diamètre est une fraction de celui des ouvertures de la filière. Un liant chimique est appliqué pour empêcher la rupture de la fibre lors des étapes de transformation ultérieures. Le filament est ensuite enroulé sur des tubes, puis torsadé et retordu pour former du fil.

procédé de fibres discontinues

Une autre méthode consiste à utiliser le procédé de fibres discontinues. Lorsque le verre en fusion traverse les manchons, des jets d'air refroidissent rapidement les filaments. Ces turbulences brisent également les filaments en segments de 20 à 38 cm. Ces filaments tombent, à travers un jet de lubrifiant, sur un tambour rotatif où ils forment une fine nappe. Cette nappe est ensuite extraite du tambour et étirée en un brin continu de fibres peu serrées. Ce brin peut être transformé en fil par les mêmes procédés que ceux utilisés pour la laine et le coton.

Fibres hachées

Au lieu d'être filé, le brin continu ou à fibres longues peut être découpé en morceaux. Le brin est monté sur un ensemble de bobines, appelé cantre, et passé dans une machine qui le découpe en fragments. Les fibres découpées sont ensuite assemblées en nattes auxquelles on ajoute un liant. Après cuisson au four, la natte est enroulée. Différents grammages et épaisseurs permettent d'obtenir des produits pour la fabrication de bardeaux, de toitures multicouches ou de tapis décoratifs.

Laine de verre

Le procédé de fabrication de la laine de verre est appelé procédé rotatif ou de filage. Dans ce procédé, le verre en fusion provenant du four s'écoule dans un récipient cylindrique percé de petits orifices. La rotation rapide du récipient projette des jets horizontaux de verre par ces orifices. Ces jets de verre en fusion sont transformés en fibres par un jet d'air, de gaz chaud, ou les deux, dirigé vers le bas. Les fibres tombent sur un tapis roulant où elles s'entrelacent pour former une masse duveteuse. Cette laine peut être utilisée comme isolant, ou bien être imprégnée d'un liant par pulvérisation, compressée à l'épaisseur souhaitée, puis polymérisée au four. La chaleur fixe le liant, et le produit obtenu peut se présenter sous forme de panneau rigide ou semi-rigide, ou encore de matelas souple.

revêtements protecteurs

Outre les liants, d'autres revêtements sont nécessaires pour les produits en fibre de verre. Des lubrifiants sont utilisés pour réduire l'abrasion des fibres ; ils sont soit pulvérisés directement sur la fibre, soit incorporés au liant. Une composition antistatique est parfois pulvérisée sur la surface des nattes isolantes en fibre de verre lors du refroidissement. L'air de refroidissement traversant la natte permet à l'agent antistatique de pénétrer toute son épaisseur. Cet agent antistatique est composé de deux ingrédients : un matériau qui minimise la génération d'électricité statique et un matériau qui sert d'inhibiteur et de stabilisateur de corrosion. L'apprêt est un revêtement appliqué aux fibres textiles lors du formage ; il peut contenir un ou plusieurs composants (lubrifiants, liants ou agents de couplage). Les agents de couplage sont utilisés sur les brins destinés au renforcement des plastiques, afin de renforcer l'adhérence au matériau renforcé. Une opération de finition est parfois nécessaire pour retirer ces revêtements ou en appliquer un autre. Pour les renforts en plastique, les apprêts peuvent être retirés par la chaleur ou par voie chimique, puis un agent de couplage peut être appliqué. Pour les applications décoratives, les tissus doivent être traités thermiquement afin d'éliminer les apprêts et de fixer le tissage. Des couches de base pour la teinture sont ensuite appliquées avant la teinture ou l'impression.

Se transformer en formes

Les produits en fibre de verre se déclinent en une grande variété de formes, fabriquées selon différents procédés. Par exemple, l'isolant pour tuyaux en fibre de verre est enroulé directement sur des formes cylindriques appelées mandrins, avant la cuisson. Les moules, d'une longueur maximale de 91 cm (3 pieds), sont ensuite cuits au four. Une fois cuits, les morceaux sont démoulés dans le sens de la longueur et découpés aux dimensions souhaitées. Des revêtements sont appliqués si nécessaire, et le produit est emballé pour l'expédition.

Contrôle de qualité

Lors de la production d'isolants en fibre de verre, des échantillons de matériau sont prélevés à différentes étapes du processus afin de garantir la qualité. Ces étapes comprennent : l'alimentation du mélange dans le four de fusion électrique ; le verre en fusion provenant de la filière d'alimentation du fibreur ; la fibre de verre à la sortie du fibreur ; et le produit final polymérisé en bout de chaîne. Les échantillons de verre et de fibres sont analysés afin de déterminer leur composition chimique et de détecter d'éventuels défauts, à l'aide d'analyseurs chimiques et de microscopes sophistiqués. La granulométrie du matériau est obtenue par tamisage à travers différents tamis. L'épaisseur du produit final est mesurée après conditionnement, conformément aux spécifications. Une variation d'épaisseur indique une qualité de verre inférieure à la norme.

Les fabricants d'isolants en fibre de verre utilisent diverses procédures de test normalisées pour mesurer, ajuster et optimiser la résistance acoustique, l'absorption sonore et l'efficacité d'isolation phonique de leurs produits. Les propriétés acoustiques peuvent être contrôlées en ajustant des variables de production telles que le diamètre des fibres, la masse volumique apparente, l'épaisseur et la teneur en liant. Une approche similaire est utilisée pour contrôler les propriétés thermiques.

L'avenir

L'industrie de la fibre de verre est confrontée à d'importants défis pour le reste des années 1990 et au-delà. Le nombre de producteurs d'isolants en fibre de verre a augmenté en raison des filiales américaines de sociétés étrangères et des gains de productivité des fabricants américains. Il en résulte une surcapacité que le marché actuel, et peut-être futur, ne pourra pas absorber.

Outre les capacités excédentaires, d'autres matériaux isolants seront en concurrence. La laine de roche s'est largement répandue grâce aux récentes améliorations apportées aux procédés et aux produits. L'isolation en mousse est une autre alternative à la fibre de verre pour les murs des habitations et les toitures des bâtiments commerciaux. La cellulose, utilisée pour l'isolation des combles, est un autre matériau concurrent.

En raison de la faible demande d'isolants due à un marché immobilier atone, les consommateurs exigent des prix plus bas. Cette demande résulte également de la consolidation continue des détaillants et des entrepreneurs. Par conséquent, l'industrie de l'isolation en fibre de verre devra poursuivre ses efforts de réduction des coûts dans deux domaines clés : l'énergie et l'environnement. Il sera nécessaire d'utiliser des chaudières plus performantes, capables de fonctionner avec plusieurs sources d'énergie.

Face à la saturation des décharges, les fabricants de fibre de verre devront réduire leurs déchets solides à un niveau quasi nul sans augmenter leurs coûts. Cela nécessitera d'améliorer les procédés de fabrication afin de réduire les déchets (liquides et gazeux inclus) et de réutiliser les déchets autant que possible.

Ces déchets peuvent nécessiter un retraitement et une refonte avant d'être réutilisés comme matière première. Plusieurs fabricants s'attaquent déjà à ces problèmes.