Comment est fabriquée la fibre de verre ?

La fibre de verre fait référence à un groupe de produits fabriqués à partir de fibres de verre individuelles combinées sous diverses formes. Les fibres de verre peuvent être divisées en deux grands groupes selon leur géométrie : les fibres continues utilisées dans les fils et les textiles, et les fibres discontinues (courtes) utilisées comme nattes, couvertures ou panneaux pour l'isolation et la filtration. La fibre de verre peut être transformée en fil un peu comme la laine ou le coton, et tissée en tissu qui est parfois utilisé pour les draperies. Les textiles en fibre de verre sont couramment utilisés comme matériau de renforcement pour les plastiques moulés et laminés. La laine de fibre de verre, un matériau épais et moelleux fabriqué à partir de fibres discontinues, est utilisée pour l'isolation thermique et l'absorption acoustique. On le trouve couramment dans les cloisons et les coques des navires et des sous-marins ; compartiments moteur d'automobiles et doublures de panneaux de carrosserie ; dans les fournaises et les unités de climatisation ; panneaux acoustiques pour murs et plafonds; et cloisons architecturales. La fibre de verre peut être adaptée à des applications spécifiques telles que le type E (électrique), utilisé comme ruban isolant électrique, textiles et renfort ; Type C (chimique), qui présente une résistance supérieure aux acides, et type T, pour l'isolation thermique.

Bien que l’utilisation commerciale de la fibre de verre soit relativement récente, les artisans créaient des brins de verre pour décorer des gobelets et des vases à la Renaissance. Un physicien français, René-Antoine Ferchault de Réaumur, a produit des textiles décorés de fins fils de verre en 1713, et des inventeurs britanniques ont reproduit l'exploit en 1822. Un tisserand de soie britannique a fabriqué un tissu de verre en 1842, et un autre inventeur, Edward Libbey, a exposé un robe tissée en verre à l'Exposition colombienne de 1893 à Chicago.

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 siècle, en utilisant un procédé qui consistait à étirer les fibres de tiges horizontalement vers un tambour rotatif. Plusieurs décennies plus tard, un procédé de filage fut développé et breveté. Le matériau isolant en fibre de verre a été fabriqué en Allemagne pendant la Première Guerre mondiale. La recherche et le développement visant la production industrielle de fibres de verre ont progressé aux États-Unis dans les années 1930, sous la direction de deux grandes entreprises, la Owens-Illinois Glass Company et Corning Glass. Travaux. Ces sociétés ont développé une fibre de verre fine, souple et peu coûteuse en faisant passer le verre fondu à travers des orifices très fins. En 1938, ces deux sociétés ont fusionné pour former Owens-Corning Fiberglas Corp. Désormais simplement connue sous le nom d'Owens-Corning, elle est devenue une entreprise qui génère 3 milliards de dollars par an et est un leader sur le marché de la fibre de verre.

Matières premières

Les matières premières de base des produits en fibre de verre sont une variété de minéraux naturels et de produits chimiques manufacturés. Les principaux ingrédients sont le sable siliceux, le calcaire et le carbonate de sodium. D'autres ingrédients peuvent inclure l'alumine calcinée, le borax, le feldspath, la syénite néphéline, la magnésite et l'argile kaolin, entre autres. Le sable de silice est utilisé comme agent de formation du 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. Les déchets de verre, également appelés calcin, sont également utilisés comme matière première. Les matières premières doivent être soigneusement pesées en quantités exactes et soigneusement mélangées (appelées lots) avant d'être fondues en verre.

La fabrication
Processus

Fusion

Une fois le lot préparé, il est introduit dans un four pour être fondu. Le four peut être chauffé à l’électricité, à un combustible fossile ou une combinaison des deux. La température doit être contrôlée avec précision pour maintenir un flux de verre fluide et constant. Le verre fondu doit être conservé à une température plus élevée (environ 2 500 °F [1 371 °C]) que les autres types de verre afin d'être transformé en fibre. Une fois le verre fondu, il est transféré vers l’équipement de formage via un canal (avant-foyer) situé à l’extrémité du four.

Former des fibres

Plusieurs procédés différents sont utilisés pour former les fibres, selon le type de fibre. Les fibres textiles peuvent être formées à partir de verre fondu directement à partir du four, ou le verre fondu peut être d'abord introduit dans une machine qui forme des billes de verre d'environ 0,62 pouce (1,6 cm) de diamètre. Ces billes permettent d'inspecter visuellement le verre à la recherche d'impuretés. Dans le processus de fusion directe et de fusion du marbre, le verre ou les billes de verre sont alimentés à travers des traversées chauffées électriquement (également appelées filières). La bague est en platine ou en alliage métallique et comporte de 200 à 3 000 orifices très fins. Le verre fondu passe par les orifices et ressort sous forme de fins filaments.

Processus à filament continu

Une fibre longue et continue peut être produite grâce au processus de filament continu. Une fois que le verre passe à travers les trous de la bague, plusieurs brins sont attrapés par un enrouleur à grande vitesse. L'enrouleur tourne à environ 3 km par minute, beaucoup plus vite que le débit des bagues. La tension tire les filaments encore fondus, formant des brins d'une fraction du diamètre des ouvertures de la douille. Un liant chimique est appliqué, ce qui empêche la fibre de se briser lors du traitement ultérieur. Le filament est ensuite enroulé sur des tubes. Il peut maintenant être tordu et transformé en fil.

Processus de fibres discontinues

Une méthode alternative est le processus de fibres discontinues. Lorsque le verre fondu traverse les filières, des jets d'air refroidissent rapidement les filaments. Les jets d'air turbulents brisent également les filaments en longueurs de 8 à 15 pouces (20 à 38 cm). Ces filaments tombent grâce à un jet de lubrifiant sur un tambour rotatif, où ils forment une fine bande. La bande est tirée du tambour et tirée en un brin continu de fibres faiblement assemblées. Ce brin peut être transformé en fil par les mêmes procédés que ceux utilisés pour la laine et le coton.

Fibre hachée

Au lieu d'être transformé en fil, le fil continu ou à fibres longues peut être coupé en courtes longueurs. Le fil est monté sur un ensemble de bobines, appelé cantre, et tiré à travers une machine qui le coupe en petits morceaux. Les fibres coupées sont transformées en nattes auxquelles un liant est ajouté. Après durcissement au four, le tapis est enroulé. Différents poids et épaisseurs donnent des produits pour bardeaux, toitures multicouches ou tapis décoratifs.

Laine de verre

Le procédé rotatif ou spinner est utilisé pour fabriquer de la laine de verre. Dans ce processus, le verre fondu provenant du four s'écoule dans un récipient cylindrique comportant de petits trous. À mesure que le récipient tourne rapidement, des flux horizontaux de verre s'écoulent des trous. Les flux de verre fondu sont convertis en fibres par un souffle d'air vers le bas, de gaz chaud ou les deux. Les fibres tombent sur un tapis roulant, où elles s'entrelacent les unes avec les autres pour former une masse laineuse. Cela peut être utilisé pour l'isolation, ou la laine peut être pulvérisée avec un liant, compressée à l'épaisseur souhaitée et durcie dans un four. La chaleur durcit le liant et le produit résultant peut être un panneau rigide ou semi-rigide, ou un matelas flexible.

Revêtements de protection

En plus des liants, d'autres revêtements sont nécessaires pour les produits en fibre de verre. Les lubrifiants sont utilisés pour réduire l'abrasion des fibres et sont soit directement pulvérisés sur la fibre, soit ajoutés au liant. Une composition antistatique est également parfois pulvérisée sur la surface des nattes isolantes en fibre de verre pendant l'étape de refroidissement. L'air de refroidissement aspiré à travers le tapis fait pénétrer l'agent antistatique dans toute l'épaisseur du tapis. L'agent antistatique se compose de deux ingrédients : un matériau qui minimise la génération d'électricité statique et un matériau qui sert d'inhibiteur de corrosion et de stabilisant. L'encollage est tout revêtement appliqué aux fibres textiles lors de l'opération de formage et peut contenir un ou plus de composants (lubrifiants, liants ou agents de couplage). Des agents de couplage sont utilisés sur les torons qui seront utilisés pour renforcer les plastiques, afin de renforcer la liaison avec le matériau renforcé. Parfois, une opération de finition est nécessaire pour retirer ces revêtements, ou pour ajouter un autre revêtement. Pour les renforts en plastique, les encollages peuvent être enlevés avec de la chaleur ou des produits chimiques et un agent de couplage appliqué. Pour les applications décoratives, les tissus doivent être traités thermiquement pour éliminer les encollages et fixer le tissage. Des revêtements à base de colorant sont ensuite appliqués avant la teinture ou l'impression.

Former des formes

Les produits en fibre de verre se présentent sous une grande variété de formes, fabriqués selon plusieurs procédés. Par exemple, l'isolation des tuyaux en fibre de verre est enroulée sur des formes en forme de tige appelées mandrins directement à partir des unités de formage, avant le durcissement. Les formes de moule, d'une longueur de 3 pieds (91 cm) ou moins, sont ensuite durcies dans un four. Les longueurs durcies sont ensuite démoulées dans le sens de la longueur et sciées aux dimensions spécifiées. Des parements 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, le matériau est échantillonné à plusieurs endroits au cours du processus afin de maintenir la qualité. Ces emplacements comprennent : le lot mélangé envoyé au fondoir électrique ; du verre fondu provenant de la filière qui alimente le fibreur ; fibre de verre sortant de la machine à fibrer ; et le produit final durci sortant de la fin de la chaîne de production. Les échantillons de verre et de fibres en vrac sont analysés pour déterminer leur composition chimique et la présence de défauts à l'aide d'analyseurs chimiques et de microscopes sophistiqués. La distribution granulométrique du matériau du lot est obtenue en faisant passer le matériau à travers un certain nombre de tamis de tailles différentes. L'épaisseur du produit final est mesurée après emballage conformément aux spécifications. Un changement d'épaisseur indique que la qualité du verre est inférieure à la norme.

Les fabricants d’isolants en fibre de verre utilisent également diverses procédures de test standardisées pour mesurer, ajuster et optimiser la résistance acoustique, l’absorption acoustique et les performances du mur antibruit des produits. Les propriétés acoustiques peuvent être contrôlées en ajustant des variables de production telles que le diamètre des fibres, la densité 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 sera confrontée à des défis majeurs pendant 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 d'entreprises étrangères et des améliorations de productivité des fabricants américains. Cela a entraîné une surcapacité que le marché actuel et peut-être futur ne peut pas gérer.

En plus de la capacité excédentaire, d’autres matériaux d’isolation seront en concurrence. La laine de roche est devenue largement utilisée en raison des récentes améliorations des processus et des produits. L'isolation en mousse est une autre alternative à la fibre de verre pour les murs résidentiels et les toits commerciaux. Un autre matériau concurrent est la cellulose, utilisée dans l’isolation des combles.

En raison de la faible demande d’isolation due à la faiblesse du marché du logement, les consommateurs exigent des prix plus bas. Cette demande résulte également de la tendance continue à la consolidation des détaillants et des entrepreneurs. En réponse, l'industrie de l'isolation en fibre de verre devra continuer à réduire ses coûts dans deux domaines majeurs : l'énergie et l'environnement. Il faudra utiliser des fours plus efficaces qui ne dépendent pas d’une seule source d’énergie.

Alors que les décharges atteignent leur capacité maximale, les fabricants de fibre de verre devront atteindre une production de déchets solides quasiment nulle sans augmenter les coûts. Cela nécessitera d’améliorer les processus de fabrication afin de réduire les déchets (y compris les déchets liquides et gazeux) et de réutiliser les déchets autant que possible.

Ces déchets peuvent nécessiter un retraitement et une refusion avant d'être réutilisés comme matière première. Plusieurs constructeurs s’attaquent déjà à ces problématiques.