Le verre, les cÉramiques et les matÉriaux connexes

 

Jonathan P. Hellerstein, Joel Bender, John G. Hadley et Charles M. Hohman

 

Ce chapitre traite des secteurs de l’industrie fabriquant les produits suivants:

 

  le verre;

  les fibres minérales vitreuses artificielles;

  la céramique;

  les carreaux en céramique;

  la céramique industrielle;

  les briques et les carreaux;

  les réfractaires;

  les gemmes synthétiques;

  les fibres optiques.

 

Il est intéressant de constater que non seulement ces secteurs existaient déjà pour la plupart dans l’Antiquité, mais aussi qu’ils ont en commun un bon nombre de procédés. Par exemple, tous sont basés sur l’utilisation de matières premières naturelles réduites en poudre ou en fines particules que l’on chauffe pour obtenir les produits finis souhaités. C’est pourquoi, malgré l’éventail de procédés et de produits envisagés ici, nous pouvons dresser un panorama général des dangers potentiels pour la santé associés à ces industries. Etant donné que les différents secteurs de fabrication sont constitués aussi bien de petites usines éloignées les unes des autres (par exemple, pour la fabrication des briques) que de grandes unités de production hautement techniques employant des milliers de travailleurs, chacun d’eux sera décrit séparément.

 

Les procédés et les risques communs

La fabrication des produits dans cette industrie expose à des risques professionnels qui sont communs à tous les secteurs précités. Ces risques et les mesures de prévention associées sont traités ailleurs dans la présente Encyclopédie. Les risques propres aux différents procédés sont exposés dans les parties correspondantes de ce chapitre.

 

Les procédés de manutention et de dosage des matières premières

Dans la plupart des cas, les matières premières sont livrées sèches, sous forme solide, en vrac ou dans des sacs individuels. Les matières premières solides en vrac sont déchargées de wagons ou de camions dans des silos, cuves ou trémies, lignes pneumatiques, transporteurs à vis, à godets et autres moyens mécaniques. Les palettes de sacs de matières premières (20 à 50 kg) ou les grands sacs en tissu contenant le matériau en vrac (0,5 à 1 tonne) sont déchargés des remorques des camions ou des wagons par des chariots élévateurs, des grues ou des treuils. Les sacs sont enlevés des palettes manuellement ou à l’aide d’appareils de levage. Les matières premières en sacs sont généralement déchargées sur une aire de stockage ou directement dans des trémies d’attente ou de pesage.

 

Le déchargement, la manutention et le transfert des matières premières solides exposent aux risques ci-après:

 

  le bruit à des niveaux compris entre 85 et 100 dBA. Les vibreurs pneumatiques, les compresseurs, les soupapes d’échappement, les moteurs d’entraînement des mélangeurs, les souffleries et les dispositifs d’aspiration des poussières sont des sources importantes de bruit;

  les particules en suspension dans l’air provenant du transvasement et du mélangeage des matières premières solides sous forme granulaire. Les risques d’exposition dépendent de la composition des matières premières, celles-ci comprenant souvent de la silice (SiO2), de l’argile, de l’alumine, de la chaux, des poussières alcalines, des oxydes de métaux, des métaux lourds et d’autres particules nocives;

  les risques ergonomiques associés au levage manuel, à la manutention des sacs de matières premières, aux vibreurs ou aux chaînes de fabrication et aux activités de maintenance des systèmes;

  les risques physiques liés aux manœuvres des wagons ou des camions, aux déplacements des chariots élévateurs, au travail en hauteur, à l’accès dans des espaces confinés et au contact avec des sources d’énergie électrique, pneumatique ou mécanique — par exemple, points d’étranglement, pièces en rotation, engrenages de transmission, arbres, courroies et poulies.

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Figure 84.1    Technicien du contrôle de la qualité prélevant des échantillons de verre dans un four

 

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Les procédés de cuisson et de fusion

La fabrication de ces produits fait intervenir des procédés de séchage, fusion ou cuisson dans des fours. La chaleur nécessaire est générée par la combustion de propane, de gaz naturel (méthane) ou de mazout, la fusion à l’arc électrique, des micro-ondes, le séchage diélectrique ou le chauffage par une résistance électrique. Les risques potentiels liés à ces procédés comprennent:

 

  les expositions à des produits de combustion tels que le monoxyde de carbone, les oxydes d’azote (NOx) et le dioxyde de soufre;

  les fumées et les poussières provenant des matières premières en suspension (par exemple, silice, métaux, poussières alcalines) ou de sous-produits (fluorure d’hydrogène, cristobalite, fumées de métaux lourds, etc.);

  les incendies ou les explosions liés aux systèmes d’alimentation en combustible des usines et aux moteurs des chariots élévateurs; les risques d’incendie ou d’explosion associés aux citernes de stockage de combustibles ou de carburants inflammables, aux réseaux de tuyaux de distribution et aux injecteurs. Lorsqu’ils sont rarement utilisés, les systèmes de secours pour les cas de pénuries de gaz naturel peuvent présenter des risques similaires d’incendie et d’explosion;

  les expositions au rayonnement infrarouge provenant de matériaux en fusion. Elles peuvent augmenter le risque de cataracte induite par la chaleur ou de brûlures cutanées;

  l’énergie rayonnante et la contrainte thermique. Il peut régner autour des fours une chaleur extrêmement intense. Des problèmes peuvent survenir lorsque des travaux de réparation d’urgence ou de simple entretien sont effectués à proximité des fours de cuisson ou de fusion. Le contact direct de la peau avec des surfaces chaudes ou des matériaux en fusion peut provoquer de graves brûlures (voir figure 84.1);

  les risques liés à l’énergie électrique. L’électricité à haute tension qui alimente les résistances de chauffage en complément du chauffage au mazout présente un risque d’électrocution par contact direct et est susceptible de causer d’autres problèmes de santé en raison de la présence de champs électromagnétiques. Les champs électriques et magnétiques intenses peuvent interférer avec les stimulateurs cardiaques ou d’autres dispositifs médicaux implantés;

  les expositions à des niveaux sonores dépassant 85 ou 90 dBA en provenance des souffleries de combustion, des trémies à combustible ou des mélangeurs contenant les matières premières, des dispositifs d’alimentation et des convoyeurs.

 

La manutention des matériaux lors de la production, de la fabrication, de l’emballage et de l’entreposage

Selon la taille, la forme et le poids des produits, chaque secteur utilise des procédés de manutention, de fabrication et d’emballage qui lui sont propres. La densité élevée des matériaux mis en œuvre ou le fait qu’ils soient en vrac exposent à des risques communs dans les différents secteurs considérés ici. Le levage manuel et la manutention lors de la production, de la fabrication, de l’emballage ou de l’entreposage sont à l’origine de nombreux accidents invalidants (voir ci-après la rubrique «Les types d’accidents du travail et de maladies professionnelles», p. 27). Des efforts ont donc été faits pour limiter le plus possible ces opérations. Par exemple, dans le but d’éliminer les accidents en découlant, certains secteurs de l’industrie ont commencé à employer des emballages nouveaux, des automates pour empiler ou palettiser les produits finis et des véhicules télépilotés pour le transport vers les entrepôts. Des bandes transporteuses, des apparaux au levage (par exemple, palans pneumatiques) et des tables élévatrices à parallélogramme articulé sont couramment utilisés pour assurer la manutention et la palettisation des produits (voir figure 84.2).

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Figure 84.2    Manutention par ventouse de paquets de 20 à 35 kg de fibres de verre textile

 

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Figure 84.3    L’automatisation de la manutention des plaques de verre réduit les risques de nature

                      ergonomique et de coupures

 

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L’utilisation des automates pour éliminer la manutention manuelle joue un rôle prépondérant dans la prévention des lésions dues à des carences ergonomiques. L’automatisation des procédés a permis d’atténuer deux types de risques auxquels était traditionnellement exposé le personnel de production lors de la manutention des matériaux (par exemple, celle du verre plat): risques liés à des problèmes de nature ergonomique et risques de graves coupures (voir figure 84.3). Cependant, le développement du recours aux automates et de l’automatisation des procédés entraîne de nouveaux risques dus aux machines en mouvement et à l’alimentation électrique, qui frappent désormais également des catégories de travailleurs (maintenance) jusqu’ici moins touchées. La conception adéquate des commandes électroniques et des séquences logiques, la protection des machines, l’isolation complète des sources d’énergie et l’instauration de procédures d’utilisation et de maintenance sûres sont des moyens fondamentaux pour prévenir les risques d’accident auxquels sont exposés et les travailleurs de la production et ceux de la maintenance.

 

Les activités de remise en état et de réfection

Les remises en état périodiques et les réfections à froid des fours présentent de multiples dangers pour la sécurité et la santé. Les activités de construction comportent de nombreux risques: risques ergonomiques liés à la manutention des matériaux (briques réfrac-taires); exposition à des particules de silice, d’amiante, de fibres de céramiques réfractaires ou de métaux lourds en suspension dans l’air lors de travaux de démolition ou lors d’opérations de découpe ou de soudage; excès de chaleur; travail en hauteur; risques de glissade, de trébuchement ou de chute; risques liés au travail en espace confiné (voir figure 84.4); contact avec des sources d’énergie dangereuses.

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Figure 84.4    Travail en espace confiné lors de la réfection d’un four dans une usine de fibres de verre

 

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Le verre

 

Généralités

Le verre s’est formé naturellement à partir d’éléments présents dans la croûte terrestre bien avant qu’on ne songe à en analyser la composition, à le façonner ou qu’on le destine aux innombrables usages que nous lui connaissons aujourd’hui. L’obsidienne, par exemple, est une forme naturelle d’oxydes fondus sous l’effet de la chaleur intense des volcans et vitrifiés (transformés en verre) par un refroidissement rapide à l’air. C’est à sa teneur relativement élevée en oxyde de fer qu’elle doit sa couleur noire opaque. Sa résistance aux agents chimiques et sa dureté sont tout à fait comparables à celles de bon nombre de verres commerciaux.

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Figure 84.5     Canne de souffleur de verre

 

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La technologie du verre a une histoire vieille de 6 000 ans et certaines applications modernes remontent à la plus haute Antiquité. L’origine des premiers verres synthétiques se perd dans la nuit des temps et dans la légende. Les Egyptiens savaient fabriquer la faïence: ils façonnaient des figurines à partir de sable (SiO2), l’oxyde le plus courant pour la formation du verre. On le recouvrait de natron, résidu abandonné par le Nil lors de ses crues, et composé principalement de carbonate de calcium (CaCO3), de carbonate de sodium (Na2CO3), de chlorure de sodium (NaCl) et d’oxyde de cuivre (CuO). En chauffant à une température inférieure à 1 000 °C, on obtenait un enduit vitreux grâce à la diffusion des fondants CaO (oxyde de calcium) et Na2O (oxyde de sodium) dans le sable puis à leur solidification au contact du sable. L’oxyde de cuivre donnait à l’objet une belle couleur bleue.

 

Selon la définition de Morey, «le verre est une substance inorganique qui dérive d’une façon continue de l’état liquide et lui est analogue, mais qui, conséquence d’un changement inverse de viscosité pendant le refroidissement, atteint un tel degré de viscosité qu’on peut la considérer comme rigide pour toutes les applications pratiques». La Société américaine pour l’essai des matériaux (American Society for Testing and Materials (ASTM)) définit le verre comme «un produit inorganique de fusion qui, en refroidissant, a atteint l’état rigide sans cristalliser». Organiques ou inorganiques, des substances peuvent se transformer en verre si leur structure n’est pas cristalline — c’est-à-dire sans caractère ordonné à longue distance.

 

Progrès majeur dans la technologie du verre, la canne à souffler (voir figure 84.5) fut introduite aux alentours de 100 avant J.-C., imprimant un développement rapide à la technique de fabrication du verre.

 

D’abord coloré à cause de la présence d’impuretés comme les oxydes de fer et de chrome, il faut remonter à environ 1 500 ans pour voir le premier verre quasiment incolore.

 

C’est à cette époque que l’industrie du verre commence à se développer à Rome. Elle se répand ensuite à travers l’Europe. Venise devient un important centre de verrerie. Au XIIIe siècle, nombre de ses fabriques s’installent sur l’île toute proche de Mu-rano. De nos jours encore, Murano est un centre de production artisanale de verrerie d’art en Italie.

 

Au XVIe siècle, on fabrique du verre dans toute l’Europe. La République tchèque est toujours renommée pour son verre de Bohême; le Royaume-Uni ainsi que l’Irlande produisent des articles de table en cristal au plomb de haute qualité. La Suède fabrique également des objets d’art en cristal.

 

En Amérique du Nord, la toute première usine fut une verrerie. Les colons anglais, en effet, commencèrent la production du verre au début du XVIIe siècle à Jamestown en Virginie.

 

Aujourd’hui, presque tous les pays du monde fabriquent du verre. De nombreux articles proviennent de chaînes de production entièrement automatisées. Bien que le verre soit un matériau très ancien, ses propriétés, uniques, ne sont pas encore entièrement comprises.

 

L’industrie contemporaine du verre comprend plusieurs grands segments de marché: le marché du verre plat, le marché des articles de ménage, le marché des récipients de verre, le marché du verre optique et la verrerie de laboratoire. Les marchés du verre optique et la verrerie de laboratoire sont généralement très organisés et dominés par un ou deux fournisseurs dans la plupart des pays. Ils représentent aussi un volume beaucoup plus faible que le marché grand public. Chacun de ces marchés a progressé au fil des années grâce à des innovations techniques ou aux progrès des modes de fabrication. L’industrie des récipients, par exemple, a bénéficié, au début du XXe siècle, de la construction de machines ultrarapides pour la fabrication des bouteilles. Au début des années soixante, l’industrie du verre plat a connu un essor important grâce au développement du procédé du verre flotté. Aujourd’hui, l’une et l’autre pèsent plusieurs milliards de dollars E.-U. à l’échelle mondiale.

 

Les articles de ménage en verre comprennent quatre grandes catégories:

 

1.    les articles de table en verre (assiettes, tasses, etc.);

2.    les verres (à boire);

3.    les ustensiles de cuisine allant au four;

4.    les ustensiles de cuisine allant au feu.

 

Bien qu’il soit difficile d’obtenir des estimations mondiales, le marché de la verrerie de ménage représente, aux Etats-Unis seulement, environ 1 milliard de dollars. Selon la catégorie, le verre est en concurrence avec d’autres matériaux — la céramique, le métal et les matières plastiques.

 

Les procédés de fabrication

Le verre est un produit inorganique résultant d’une fusion, suivie d’un refroidissement, jusqu’à l’état rigide sans cristallisation. Dur et cassant, il se caractérise par une fracture conchoïdale. En faisant varier les matériaux amorphes ou cristallins qu’il contient, on obtient du verre coloré, translucide ou opaque.

 

Refroidi à partir de son état de fusion, le verre augmente peu à peu en viscosité sans cristallisation dans une plage de températures étendue jusqu’à acquérir sa forme caractéristique dure et cassante. Son refroidissement doit s’effectuer dans des conditions bien déterminées pour éviter la cristallisation ou l’apparition de trop fortes tensions internes.

 

Si, en théorie, tout composé possédant ces propriétés physiques est du verre, la plupart des verres du commerce, qui peuvent avoir des compositions chimiques très différentes, entrent dans l’une des trois catégories ci-après:

 

1. Les verres sodocalciques (contenant principalement de la silice, de la soude et de la chaux) se classent au premier rang par l’importance de leur production et la diversité de leurs utilisations; presque tout le verre plat, les récipients en verre, la verrerie domestique à bon marché produite en grande série et les ampoules électriques sont en verre de ce type.

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Figure 84.6     Procédés et matériaux intervenant dans la fabrication du verre

 

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2.  Les verres de silice (et potasse) au plomb contiennent une proportion variable, mais souvent importante, d’oxyde de plomb. Leur indice de réfraction élevé est mis à profit dans l’industrie du verre optique. La facilité avec laquelle ils se laissent couper et polir en fait un matériau tout indiqué pour la verrerie domestique ou décorative soufflée. Leur haute résistivité électrique et la protection qu’ils offrent contre les rayonnements les désignent pour des applications électriques et électroniques.

 

3.  Les verres borosilicatés ont un faible coefficient de dilatation thermique et sont résistants aux chocs thermiques, ce qui en fait d’excellents matériaux pour la verrerie de laboratoire, les ustensiles de cuisine allant au four et la fibre de verre renforçant les matières plastiques.

 

Plusieurs composants entrent dans la fabrication du verre commercial. Quatre à six d’entre eux pourtant dominent, obtenus à partir de matériaux comme le sable, la chaux, la dolomite, le carbonate de sodium, le borax, l’acide borique, les feldspaths, des composés du plomb et du baryum. Ajoutés en petites quantités, les autres sont choisis parmi 15 à 20 matériaux, couramment qualifiés d’additifs. Ils servent à conférer au verre, lors de la préparation, une fonction ou une qualité particulière, par exemple sa couleur.

 

La figure 84.6 montre les différentes étapes de la fabrication du verre. Les matières premières sont pesées, mélangées et, après adjonction de débris de verre, ou calcin, amenées au four pour la fusion. Pour la fusion du cristal destiné à être soufflé selon les procédés artisanaux, ainsi que pour certains verres produits en faibles quantités, on utilise encore des creusets dont la contenance est inférieure à 2 tonnes. Plusieurs de ces creusets peuvent être chauffés ensemble dans une chambre de combustion.

 

Dans la plupart des verreries modernes, la fusion se fait dans de grands fours de régénération, de récupération ou des fours électriques en matériaux réfractaires et chauffés selon le cas au mazout, au gaz naturel ou à l’électricité. L’appoint de chauffage électrique et la fusion électrique (avec émaillage à froid) ont été universellement utilisés à la fin des années soixante et dans les années soixante-dix. C’est la lutte contre la pollution qui a fait choisir la fusion électrique, tandis que l’appoint de chauffage électrique visait généralement à améliorer la qualité du verre et à augmenter la production.

 

Les facteurs économiques qui jouent un rôle important dans le choix de l’électricité pour les fours de fusion du verre sont liés entre autres au prix des combustibles fossiles, à la disponibilité des différents combustibles, au coût de l’électricité et aux investissements en matériel nécessaires. Cependant, c’est la protection de l’environnement qui motive souvent au premier chef le choix de la fusion électrique ou de l’appoint de chauffage électrique. Des règlements relatifs à l’environnement réduisant rigoureusement le rejet d’oxydes ou de particules sont entrés en vigueur dans plusieurs pays. Par voie de conséquence, de nombreux verriers se trouvent confrontés à l’alternative suivante: soit réduire les émissions lors de la fusion, installer des filtres à manches ou des séparateurs afin de limiter les émissions des rejets gazeux, soit modifier le procédé de fusion et inclure la fusion électrique ou l’appoint de chauffage électrique. Dans certains cas, l’usine n’a d’autre choix que de fermer.

 

La partie la plus chaude du four (superstructure) peut atteindre de 1 600 à 2 800 °C. Un refroidissement contrôlé permet d’abaisser la température du verre jusqu’à 1 200 ou 1 000 °C à sa sortie du four. En outre, tous les types de verre subissent un refroidissement ultérieur (recuisson) dans un four spécial à température contrôlée ou dans une arche de recuisson. Les opérations de transformation ultérieures dépendent du type de procédé de fabrication.

 

Le soufflage automatique est utilisé pour la fabrication des bouteilles et des ampoules électriques en plus du soufflage artisanal traditionnel. Les articles de forme simple — isolateurs, briques de verre, verres optiques, etc. — sont pressés plutôt que soufflés. Dans certains procédés de fabrication, on associe le soufflage et le pressage. Le verre armé et le verre à dessins sont laminés. Le verre à vitres est étiré du four verticalement, ce qui lui donne une surface adoucie au feu. Sous les effets combinés de l’étirage et de la gravité, il subit certaines déformations.

 

Le verre plat passe entre des rouleaux refroidis à l’eau puis dans une arche de recuisson. Il ne présente pas de déformation. On rectifie après fabrication les irrégularités de sa surface par dégrossissage et polissage. Depuis quelques années, ce procédé est largement supplanté par le procédé de verre flotté (voir figure 84.7). Ce dernier a permis la fabrication de verre qui allie les avantages du verre en feuilles et du verre plat. La surface du verre flotté présente l’aspect des surfaces polies au feu et elle est exempte de déformations.

 

Dans ce procédé, le verre en fusion coule, à sa sortie du four, en un ruban continu sur un bain d’étain fondu, dont il épouse la surface parfaitement plane. Lors de son passage sur l’étain, le verre se refroidit jusqu’à ce qu’il soit suffisamment dur pour passer entre les rouleaux de l’arche de recuisson sans que sa face intérieure soit marquée. Une atmosphère inerte empêche l’oxydation de l’étain. Après la recuisson, le verre ne nécessite plus aucun traitement et peut être automatiquement coupé et emballé (voir figure 84.8).

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Figure 84.7     Procédé continu de production de verre par flottage

 

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Figure 84.8    Ruban de verre flotté sortant de l’arche de recuisson

 

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La tendance de l’architecture actuelle à accroître les surfaces vitrées pour les locaux à usage d’habitation comme à usage commercial, et la nécessité de réduire la consommation d’énergie ont incité à améliorer les qualités isolantes des fenêtres. De minces films déposés à sa surface confèrent au verre des propriétés de faible émissivité ou de sélectivité du rayonnement solaire. La commercialisation de ces produits exige le recours à une technologie peu coûteuse de dépôt sur de grandes surfaces. C’est pourquoi de plus en plus de chaînes de fabrication de verre flotté sont équipées de procédés d’enduction très élaborés.

 

Dans les procédés de dépôt chimique en phase vapeur (Chemical Vapour Deposition (CVD)), fréquemment utilisés, on met en contact avec un substrat chaud un mélange de gaz complexe qui, par pyrolyse, forme un dépôt à la surface du verre. En général, cela s’effectue grâce à des dispositifs à température contrôlée suspendus au-dessus de la largeur du ruban de verre soit dans le bain d’étain, soit dans l’ouverture de l’arche, soit encore dans l’arche elle-même. Leur fonction est de répartir uniformément les gaz précurseurs sur toute la largeur du ruban en contrôlant la température et d’extraire en toute sécurité les sous-produits gazeux de la zone de dépôt. Si plusieurs couches de film sont nécessaires, on place un certain nombre de structures en série au-dessus du ruban de verre.

 

Pour le traitement des sous-produits gazeux dégagés par l’application de ces méthodes à grande échelle, il suffit en général de recourir au procédé d’épuration humide en utilisant un filtrepresse conventionnel. Lorsqu’il s’avère difficile de faire réagir les gaz émis ou de les mouiller au moyen de solutions aqueuses, il faut recourir à l’incinération.

 

Certains verres optiques sont renforcés chimiquement par des procédés dans lesquels le verre est immergé plusieurs heures durant dans des bains à haute température contenant des sels fondus tels que le nitrate de lithium et le nitrate de potassium.

 

Le verre de sécurité comprend deux grandes catégories:

 

1.    Le verre trempé obtenu en précontraignant, par chauffage puis par refroidissement rapide, dans des fours spéciaux, des pièces de verre plat de la forme et de la taille souhaitées.

2.    Le verre feuilleté constitué par deux minces feuilles de verre plat collées sur une feuille de matière plastique (généralement du butyral polyvinylique).

 

Les fibres minérales vitreuses artificielles

 

Généralités

Les fibres minérales vitreuses artificielles sont des silicates amorphes produits à partir d’une grande variété de matériaux: verre, roche, laitier ou d’autres minéraux. Elles peuvent être continues ou discontinues. En général, les fibres continues sont des fibres de verre obtenues par extrusion au travers d’une filière et utilisées pour renforcer d’autres matériaux comme les matières plastiques afin d’obtenir des composites aux propriétés particulières. Les fibres discontinues (généralement appelées «laines») sont employées, entre autres, pour l’isolation thermique et acoustique. Dans le cadre de ce chapitre, les fibres minérales vitreuses artificielles ont été réparties en fibres de verre continues, comprenant les laines de verre servant à l’isolation faites de fibres de verre, de roche ou de laitier, et en fibres céramiques réfractaires, qui sont généralement des silicates d’aluminium.

 

L’étirage du verre en fusion en longues fibres était déjà connu dans l’Antiquité avant même la technique du verre soufflé. Les Egyptiens fabriquaient leurs vases en enroulant des fibres de verre autour d’une forme en argile, puis ils chauffaient le tout jusqu’à ce que les fibres fondent et s’amalgament; après refroidissement, ils cassaient le moule d’argile. Même après l’apparition de la technique du verre soufflé, au Ier siècle après J.-C., la technique de la fibre de verre était encore utilisée. Les verriers vénitiens l’ont employée aux XVIe et XVIIe siècles pour la verrerie décorative. Ils enroulaient des paquets de fibres blanches opaques autour d’un récipient en verre transparent soufflé (par exemple, une coupe), puis les faisaient fondre en chauffant.

 

Même si les fibres de verre ont très longtemps servi à la fabrication d’objets décoratifs et artistiques, ce n’est qu’au XXe siècle qu’elles ont connu leur essor. La production commerciale a démarré d’abord en Europe, puis aux Etats-Unis dans les années trente. Les laines de roche et de laitier existaient déjà depuis plusieurs années.

 

Les fibres de verre artificielles sont devenues un composant important de la vie moderne. Leur fabrication et leur utilisation représentent un marché mondial de plusieurs milliards de dollars E.-U. Leur emploi comme isolant a permis une réduction importante des besoins énergétiques pour le chauffage ou le refroidissement des édifices, ce qui, à son tour, a contribué à réduire la pollution globale associée à la production d’énergie. On estime à plus de 30 000 le nombre d’applications des filaments de verre continus pour le renforcement d’innombrables articles, que ce soit dans le secteur du sport, de l’informatique ou de l’aérospatiale. Développées et commercialisées à grande échelle dans les années soixante-dix, les fibres céramiques réfractaires continuent à jouer un rôle clé dans la protection des travailleurs et de l’équipement, en tant que matériau isolant, dans de nombreux procédés de fabrication à haute température.

 

Les procédés de fabrication

 

Les filaments de verre continus

Les filaments de verre, de diamètre presque uniforme, sont formés en continu en forçant le verre fondu par extrusion à travers une filière en métal précieux. Utilisées comme matériau de renforcement, les fibres doivent satisfaire à des exigences physiques spécifiques et leur diamètre est donc relativement plus grand que celui des fibres destinées à être mélangées à la laine d’isolation. Presque tous les filaments de verre continus ont un diamètre compris entre 5 et 15 µm ou davantage. Ces grands diamètres ainsi que leur relative constance lors de la fabrication éliminent les risques de problèmes respiratoires chroniques puisque les fibres sont trop grosses pour être inhalées dans les voies respiratoires inférieures.

 

Les fibres de verre à filament continu sont obtenues par réduction rapide des gouttes de verre en fusion sortant des orifices des filières sous l’effet de la pesanteur et y restant en suspension. L’équilibre dynamique entre les forces de tension de surface et le rétrécissement mécanique fait que la goutte de verre prend la forme d’un ménisque à l’orifice annulaire de la filière et s’effile jusqu’à avoir le diamètre de la fibre étirée. Pour que l’étirage soit réussi, il faut que le verre atteigne un degré de viscosité compris entre 500 et 1000 poises. A des viscosités plus basses, le verre, trop liquide, se dissipe en gouttelettes; dans ce cas, la tension de surface est trop importante. A des viscosités plus hautes, la tension présente dans la fibre lors de l’affaiblissement est trop élevée. La vitesse d’écoulement du verre à travers l’orifice de la filière peut également devenir trop lente pour permettre le maintien du ménisque.

 

La filière constitue une plaque percée de centaines d’orifices maintenue à température constante qui a pour fonction de conditionner le verre à cette même température afin que les fibres étirées soient de diamètre identique. La figure 84.9 représente le schéma des principaux éléments d’une filière. La plaque percée d’orifices est placée à la sortie d’un four où elle reçoit le verre en fusion à une température proche de celle à laquelle il passera dans les orifices. Dans ce cas, la fonction de la filière est unique.

 

En revanche, si la filière est alimentée par des billes de verre, une seconde fonction s’impose, qui est de faire fondre celles-ci avant de porter le verre à la température correcte pour l’étirage des fibres. On peut voir à la figure 84.10 un exemple de filière alimentée par des billes de verre. Les traits hachurés à l’intérieur de la machine représentent la plaque retenant les billes non fondues.

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Figure 84.9    Schéma de principe d’une filière recevant directement le verre en fusion

 

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Figure 84.10    Schéma de principe d’une filière alimentée par des billes de verre

 

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Figure 84.11     Filaments de verre textile sortant de la filière. Rassemblés en mèches,

                            ils sont ensuite bobinés pour être traités

 

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La conception des filières est en grande partie le fruit de l’expérience. Comme elles doivent résister au verre en fusion et assurer la stabilité de la température nécessaire pour l’extrusion des fibres, elles sont faites d’alliages de platine (alliages à 10 ou à 20% de rhodium-platine), ce dernier étant plus résistant aux déformations à températures élevées. Avant d’être réunies en une ou plusieurs mèches, à leur sortie de la filière, les fibres sont recouvertes d’un apprêt. Les apprêts d’ensimage sont principalement de deux types:

 

1.    Les apprêts d’ensimage à base de corps gras pour les fibres destinées à être tissées en étoffes délicates ou opération similaire.

2.    Les agents d’adhérisation et de revêtement pour les fibres destinées au renforcement direct des plastiques et du caoutchouc.

 

Une fois formée, la fibre est recouverte d’un enduit protecteur organique par enduction, et les filaments continus sont rassemblés en mèches (voir figure 84.11) avant d’être enroulés sur une bobine.

 

Les enducteurs permettent le soufflage des fibres; lorsqu’elles ont de 25 à 45 mm de largeur, elles sont recueillies sur un collecteur et passent sur une surface en mouvement recouverte d’un film d’apprêt.

 

On distingue deux types d’enducteurs:

 

1.    Les rouleaux en caoutchouc, en céramique ou en graphite; la fibre se déplace sur des rouleaux enduits d’apprêt.

2.    Les tapis roulants; à l’une des extrémités, le tapis passe sur un rouleau qui le plonge dans l’apprêt et, à l’autre, sur une barre fixe en acier chromé où les fibres s’enduisent d’apprêt au contact du tapis.

 

Les opérations de revêtement de protection et de rassemblement des fibres peuvent varier en fonction du type de fibres produites: fibres textiles ou de renforcement. L’objectif de base est de recouvrir les fibres d’apprêt, de les rassembler en mèches et de les placer sur le cylindre d’une bobine escamotable avec le minimum de tension.

 

La figure 84.12 illustre le procédé de fabrication des fibres de verre sous forme de filaments continus.

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Figure 84.12     Fabrication des fibres de verre sous forme de filaments continus

 

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Figure 84.13     Fabrication de fibres de laine de verre par centrifugation

 

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La fabrication de la laine isolante

Contrairement aux fibres de verre sous forme de filaments continus, les fibres de laine de verre isolantes et de céramiques réfractai-res sont obtenues par des procédés à très haute énergie au cours desquels le matériau en fusion tombe sur des bobinoirs ou sur une série de disques en rotation. On obtient ainsi des fibres aux diamètres beaucoup plus variés que dans le cas des filaments continus. Ainsi, toutes les laines isolantes et les fibres céramiques renferment une partie des fibres de diamètre inférieur à 3,0 µm, qui risquent d’être inhalées si elles sont coupées en petits morceaux (moins de 200 à 250 µm). L’exposition à ce genre de fibres vitreuses artificielles respirables sur le lieu de travail est bien documentée.

 

Plusieurs procédés sont utilisés pour la fabrication de la laine de verre, notamment le soufflage à la vapeur et le soufflage à la flamme. Le plus courant, cependant, est l’étirage centrifuge développé au milieu des années cinquante. Les procédés à rotors ont largement remplacé les procédés de soufflage direct dans la fabrication commerciale d’isolants en fibres de verre. Ils utilisent tous un tambour creux, ou panier centrifugeur, monté verticalement et dont la paroi est perforée de plusieurs milliers de trous uniformément répartis sur la circonférence. Le verre en fusion tombe à une vitesse contrôlée dans le centre du tambour d’où un distributeur le projette contre la paroi verticale perforée. La force centrifuge le disperse ensuite en étoile vers l’extérieur sous forme de filaments qui sortent de chaque perforation. On réduit alors ces filaments en insufflant un fluide à travers un ou plusieurs orifices disposés autour du tambour de façon concentrique. On obtient des fibres d’un diamètre moyen de 6 à 7 µm. Le fluide soufflé, qui agit vers le bas, permet ainsi le rétrécissement final et dirige également les fibres vers une surface de rassemblement située sous le tambour. En cours de route, les fibres sont aspergées de liant avant d’être réparties uniformément sur la surface de rassemblement (voir figure 84.13).

 

Dans les procédés par rotation, on obtient les fibres de laine de verre en faisant passer le verre en fusion à travers une série de petits orifices situés dans un tambour en rotation, puis en rétrécissant la fibre primaire par soufflage d’air ou de vapeur.

 

La laine minérale, quant à elle, ne peut être fabriquée par des tambours en rotation. Historiquement, on l’obtient par un procédé utilisant une série de mandrins horizontaux en rotation (ou rotors) montés en cascade et tournant très rapidement (voir figure 84.14).

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Figure 84.14    Fabrication de la laine minérale (de roche ou de laitier)

 

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Une coulée de roches en fusion est continuellement amenée à l’un des rotors supérieurs et, à partir de celui-ci, au deuxième, et ainsi de suite. Le liquide en fusion est réparti uniformément sur la surface extérieure de tous les rotors. Des gouttelettes sont projetées de ceux-ci vers l’extérieur par la force centrifuge. Elles adhèrent à la surface des rotors par de longs fils qui, sous l’effet d’une élongation supplémentaire et d’un refroidissement simultané, se transforment en fibres. L’élongation entraîne naturellement une diminution de leur diamètre qui, à son tour, provoque une accélération du refroidissement. Le diamètre des fibres produites selon ce procédé est donc plus petit, mais aucune distribution normale autour de la valeur moyenne n’est à attendre.

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Figure 84.15     Fibres optiques monomodes et multimodes

 

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Les fibres optiques

Une fibre optique est constituée de deux filaments capillaires de verre transparent, disposés coaxialement, qui transmettent les rayons lumineux le long de son axe. Des diodes électroluminescentes (DEL) ou diodes laser convertissent les signaux électriques en signaux optiques qui sont transmis à travers l’élément interne du câble de fibre optique. L’indice de réfraction plus faible de la gaine extérieure permet aux signaux lumineux de se propager grâce aux réflexions totales qu’ils subissent à l’interface, entre le verre de cœur et le verre de gaine. Les fibres optiques sont conçues et fabriquées pour la propagation d’un ou de plusieurs faisceaux de lumière transmis simultanément le long du filament interne (voir figure 84.15).

 

Les fibres monomodes servent principalement pour la téléphonie, la télévision par câble et les réseaux informatiques sur les campus universitaires. Les fibres multimodes sont couramment utilisées pour le transfert de données et les réseaux locaux.

 

Fabrication de la fibre optique

Il faut des matériaux et des procédés spéciaux pour fabriquer des fibres optiques répondant aux critères de conception fondamentaux: 1) un filament interne d’indice de réfraction élevé et un filament externe d’indice de réfraction plus faible; 2) une faible atténuation du signal ou une perte de puissance; 3) une dispersion ou un élargissement faibles du faisceau lumineux.

 

Le verre de silice très pur et d’autres verres (tels que verres au fluorure et aux métaux lourds et verres au chalcogénure) sont les principaux matériaux employés pour fabriquer des fibres optiques, à côté des composés polycristallins, des monocristaux, des guides d’onde creux et des matières plastiques polymères. Les matières premières doivent être relativement pures, avec de très faibles concentrations de métaux de transition et de groupes formant des radicaux hydroxyles (les taux d’impureté ne doivent pas dépasser quelques ppM. Lors de la fabrication, il est important de protéger le verre en formation de toute impureté qui pourrait être présente dans l’environnement de travail.

 

Pour la fabrication des fibres optiques, on procède à une opération initiale particulière en phase vapeur de production du verre qui est ensuite étiré en fibre. Les composés volatils de silice sont transformés en dioxyde de silicium (SiO2) par hydrolyse à la flamme, dépôt chimique en phase vapeur (Chemical Vapour Deposition (CVD)) ou oxydation à haute température. Des dopants sont alors ajoutés au verre pour lui donner le gradient d’indice désiré. Les variantes de dépôt en phase vapeur partent du même produit, mais diffèrent par la méthode de transformation de ce produit en silice.

 

Ainsi, on peut utiliser l’une des méthodes de dépôt en phase vapeur suivantes pour la fabrication de fibres optiques à base de silice: 1) dépôt chimique en phase vapeur modifié (Modified Chemical Vapour Deposition (MCVD)); 2) dépôt chimique par plasma (Plasma Chemical Vapour Deposition (PCVD)); 3) dépôt extérieur en phase vapeur (Outside Vapour Deposition (OVD)); et 4) dépôt axial en phase vapeur ((Vapour Phase axial Deposition (VAD)) (voir figure 84.16). Le tétrachlorure de silicium (SiCl4), le tétrachlorure de germanium (GeCl4) ou autres halogénures liquides volatils se transforment en gaz dès qu’ils sont chauffés, car ils ont une pression de vapeur très élevée. L’halogénure gazeux est amené dans une zone de réaction et transformé en particules de verre (voir également le chapitre no 83, «L’industrie de la microélectronique et des semi-conducteurs»).

 

Procédés MCVD et PCVD. Un tube en verre de silice de haute qualité chauffé est fixé à une baguette de verre équipée d’une torche à hydrogène/oxygène sur toute sa longueur. Une alimentation en halogénures est placée à une extrémité de la baguette; à l’autre, un épurateur en élimine l’excès. Pendant que la torche traverse la longueur de la baguette, la flamme en nettoie la surface. Différents réactifs sont ajoutés à la phase vapeur selon le produit en cours de fabrication. Lors du passage du mélange d’halogénures, on assiste à une réaction chimique dans la section du tube chauffé. Les halogénu-res convertissent en silice les particules de «suie» déposées sur l’intérieur du tube en aval de la torche. Les particules déposées sont frittées dans la couche de verre. Le procédé PCVD est semblable au procédé MCVD, si ce n’est que le mélange d’halogénures est envoyé par un système de barboteur et que l’on utilise des micro-ondes et non une torche pour transformer l’halogénure en verre.

 

Procédés OVD et VAD. Lors de la première étape du procédé de fabrication, le cœur et la gaine sont déposés en phase vapeur sur une baguette cible en rotation pour constituer une préforme de «suie». Le cœur se dépose d’abord, puis la gaine. Le cœur et la gaine se déposant en phase vapeur, la préforme est extrêmement pure. La géométrie de la fibre est déterminée pendant la phase de déposition. Lorsque la baguette cible est enlevée, la préforme est placée dans un four où elle se transforme en un verre solide et clair, et la cavité centrale se ferme. On envoie du gaz afin d’éliminer toute humidité résiduelle qui influe sur l’atténuation de la fibre (perte de signal optique lors de la transmission de la lumière le long de son axe). La préforme est alors lavée à l’acide fluorhydrique pour garantir la pureté du verre et éliminer les contaminants.

 

La préforme de verre solidifiée est placée dans une tour d’étire-ment pour donner un filament continu de fibre de verre. Elle est d’abord chargée dans un four d’étirement. Ensuite, son extrémité est chauffée et du verre en fusion s’écoule. Pendant la phase d’étirage, le verre passe à travers une filière qui assure que le diamètre intérieur (généralement mesuré en microns) corresponde exactement aux spécifications. Le diamètre de la gaine doit être exactement conforme aux spécifications afin de limiter les pertes de signal lors des raccords. Le diamètre extérieur des gaines est utilisé comme guide pour aligner les cœurs des fibres. Ceux-ci doivent être très précisément alignés pour permettre une bonne transmission de la lumière.

 

On enduit alors les fibres de résine polyacrylate, par exemple, qui polymérise sous des lampes aux rayons ultraviolets. Les revêtements ont pour but de protéger la fibre optique de l’environnement pendant son utilisation. Les fibres optiques sont testées pour vérifier qu’elles sont conformes aux normes de fabrication en ce qui concerne leur résistance, l’atténuation et la géométrie. Des longueurs spécifiques de fibres sont enroulées sur des bobines selon les besoins du client.

 

Un certain nombre de risques potentiels peuvent se rencontrer lors de la fabrication des fibres optiques. Ils comprennent: 1) l’exposition à l’acide fluorhydrique (lors du nettoyage de la préforme); 2) l’énergie rayonnante et le stress thermique associés aux procédés de dépôt en phase vapeur; 3) le contact direct avec des surfaces brûlantes ou du matériau en fusion (les préformes de verre); 4) l’exposition aux polyacrylates (sensibilisants cutanés); 5) les piqûres et les coupures de la peau pendant la manipulation de la fibre; et 6) les divers risques physiques décrits auparavant.

 

George R. Osborne

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Les fibres de céramiques réfractaires

La fabrication des fibres réfractaires se fait essentiellement par des méthodes de soufflage et de centrifugation, similaires à celles employées pour les laines isolantes. Dans le procédé de soufflage à la vapeur, des matières premières comme l’alumine ou la silice sont fondues dans un four électrique et la matière en fusion est étirée et soufflée à la vapeur ou grâce à un autre gaz chaud sous pression. Les fibres produites sont rassemblées sur un crible.

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Figure 84.16     Schéma de fabrication d’une fibre optique

 

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Comme pour les fibres de roche ou de laitier, on obtient un grand nombre de fibres longues et soyeuses. Une coulée de matière en fusion passe dans des disques tournant à grande vitesse, puis est projetée tangentiellement pour former des fibres.

 

L’industrie de la céramique

 

Généralités

L’art de la céramique remonte à l’aube de l’humanité. Au cours du temps, de nombreux styles et techniques ont vu le jour dans différentes parties du monde. Au XVIIIe siècle, l’importation d’objets délicats et richement ornés en provenance d’Extrême-Orient influença fortement une industrie florissante dans plusieurs régions d’Europe. Environ quatre siècles auparavant, le Japon avait appris de la Chine l’art de la céramique. Sous l’impulsion de la révolution industrielle et de l’amélioration du niveau de vie en Europe occidentale, la production connut un essor rapide. De nos jours, chaque pays ou presque fabrique des objets destinés à sa consommation et, pour certains, leur exportation constitue un important débouché. Dans beaucoup de régions, la production a atteint un niveau industriel. Bien que les principes de base soient restés inchangés, les méthodes de fabrication ont considérablement évolué, en particulier le façonnage ou la mise en forme de l’objet, sa cuisson et les techniques de décoration. L’utilisation croissante de microprocesseurs et de robots a permis d’automatiser considérablement les unités de production. Il existe cependant encore partout de petits artisans.

 

Les méthodes de fabrication

La poterie s’est d’abord faite à la main. On superpose des boudins d’argile que l’on agglomère par la pression des mains. On ramollit ensuite l’argile avec de l’eau. Lorsque tous les boudins adhèrent en une masse compacte, on façonne et on moule à la main.

 

Plus tard, le tour du potier fit son apparition. On place une masse d’argile au centre d’un plateau tournant et on la façonne, les mains mouillées. L’eau empêche que les mains ne collent à l’argile et conserve à celle-ci humidité et malléabilité. Les anses, les becs et autres parties saillantes sont ajoutés juste avant la cuisson.

 

De nos jours, on utilise souvent un moule pour réaliser une poterie de belle qualité aux parois très fines. On verse un mélange d’argile et d’eau très liquide, la barbotine, dans un moule de plâtre de Paris. Le plâtre absorbe l’eau, de sorte qu’il se dépose une mince couche d’argile sur la surface interne du moule. Quand la couche est suffisamment épaisse pour former les parois du vase, on jette ce qui reste de barbotine et on laisse la pièce humide dans le moule. En séchant, celle-ci se rétrécit légèrement et on peut alors la retirer. En général, les moules sont démontables.

 

Quand la pièce est parfaitement sèche, on la lisse et on la prépare en vue de la cuisson. On la place dans une boîte en argile réfractaire, la «cazette» ou «gazette», qui la protège des flammes et des gaz émis durant la cuisson, de la même façon qu’un four protège une miche de pain en train de cuire. Les cazettes sont superposées dans le four: c’est ce qu’on appelle l’engazettage et l’enfournement. Le four est une grande structure faite de briques réfractaires et entourée de veines d’air afin que les flammes du feu puissent complètement envelopper les pièces sans jamais entrer en contact avec elles, car la fumée les décolorerait.

 

La plupart des pièces sont cuites au moins deux fois. La première fois, on dit que la pièce est biscuitée; elle s’appelle alors le biscuit. Après cuisson, le biscuit est glacé. La glaçure est un enduit vitrifiable, transparent, que l’on applique sur une poterie pour la rendre brillante et imperméable. Les glaçures contiennent de la silice, un fondant pour abaisser la température de fusion (plomb, baryum, etc.) et des oxydes de métaux qui les colorent. Après application et séchage complet de la glaçure, la pièce est remise au four et cuite à une température très élevée à laquelle la glaçure fond et recouvre toute la surface.

 

Les types de céramiques

 

  Le grès-cérame est formé à partir d’argile claire ou foncée. On le glace avant de le mettre au four ou en cours de cuisson, en ajoutant des sels,eton lecuit jusqu’à obtenirunobjetdenseetdur.

   La porcelaine est blanche, vitrifiée et translucide. L’objet glacé subit une seule cuisson à très haute température pour atteindre son aspect final.

   La porcelaine de Chine ressemble à la porcelaine. L’objet glacé subit une seule cuisson à température très élevée.

   La porcelaine phosphatique est une variété de porcelaine de Chine. Elle contient environ 40% de phosphates de calcium sous forme d’os calcinés et pulvérisés.

   La terre cuite est blanche ou presque blanche. Elle subit deux cuissons; le corps de l’objet fini reste poreux. La glaçure est semblable à celle de la porcelaine, mais faite avec des matériaux moins coûteux.

  La faïence est une terre cuite recouverte d’une glaçure fine qui sert à des fins ornementales ou décoratives. La production d’un objet blanc n’est habituellement pas recherchée, et les glaçures sont fréquemment colorées.

 

Les procédés de fabrication

Les propriétés physiques d’une pâte céramique varient selon les composants qui entrent dans sa confection et les conditions de cuisson employées. C’est en fonction surtout de ses propriétés physiques que l’on choisit telle ou telle pâte, pour tel ou tel usage, mais on préfère généralement les pâtes blanches pour la vaisselle.

 

Selon leur future utilisation, on dote les produits industriels (réfractaires, isolateurs électriques, supports de catalyseurs, etc.) de propriétés physiques très diverses.

 

Matières premières. Les principaux composants de la pâte céramique, ainsi que leurs proportions usuelles respectives, sont indiqués au tableau 84.1. La syénite éléolithique (néphélinifères) est parfois utilisée comme fondant, et l’alumine peut remplacer tout ou partie du quartz dégraissant dans certaines porcelaines. La cristobalite (sable calciné) est employée comme dégraissant dans des cas particuliers, notamment dans l’industrie des carrelages muraux.

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Tableau 84.1    Composants caractéristiques de la pâte céramique (%)

 

Pâte

Base plastique

 

 

Produits fondants

 

Produits dégraissants

 

 

 

Terre glaise

Kaolin

Grès

Roche

Feldspath

Quartz

Cendre d’os

Autres

Poterie

25

25

 

15

 

35

 

 

Grès-cérame

30-40

 

25-35

 

20-25

 

 

20-30 (grog)

Porcelaine de Chine

20-25

20-25

 

 

15-25

25-30

 

 

Porcelaine

 

40-50

 

 

20-30

15-25

 

 

Porcelaine phosphatique

 

20-25

 

25-30

 

 

45-50

 

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La composition de la pâte dépend en partie du procédé de fabrication et en partie des qualités souhaitées pour le produit fini. Une base plastique est indispensable pour les objets façonnés par voie humide; elle ne l’est pas dans les procédés de façonnage non plastique, comme le pressage à sec. Si la base plastique n’est pas essentielle, l’argile demeure cependant le composant principal de la plupart des produits céramiques, même de ceux qui sont pressés à sec.

 

Les céramiques industrielles ne figurent pas au tableau 84.1, car leur composition, très variée, va de la terre glaise à l’argile, sans fondant ni dégraissant, à la plupart des alumines mélangées avec de l’argile et sans fondant ajouté.

 

Pendant la cuisson, le fondant se vitrifie et lie les composants entre eux. A mesure que la quantité de fondant augmente, la température de vitrification diminue. Les dégraissants influent sur la résistance mécanique de l’objet avant et pendant la cuisson; on utilise traditionnellement le quartz (sous forme de sable ou de silex calciné) pour la fabrication de la vaisselle, sauf pour la porcelaine phosphatique, où il est remplacé par de la cendre d’os. L’alumine ainsi que d’autres charges non siliceuses largement employées dans l’industrie commencent également à l’être pour d’autres objets, y compris des céramiques ménagères.

 

Fabrication. La fabrication de la céramique comporte les phases suivantes:

 

  la préparation et le mélangeage des composants de la pâte;

  le moulage et le façonnage;

  la cuisson du biscuit (après séchage);

  l’application de la couverte ou glaçure (émaillage);

  la cuisson de la couverte ou glaçure (émaillage);

  la décoration.

 

Si la préparation (calcination, broyage et meulage du silex ou de la roche) peut se faire dans un établissement séparé, il est d’usage que l’ensemble des opérations suivantes s’effectue dans une seule et même usine. Dans la salle de la barbotine, les composants de la pâte sont mélangés dans l’eau; on obtient ensuite l’argile plastique par filtrage et malaxage; la barbotine de coulage est alors amenée à un état crémeux par délayage. On prépare la poudre destinée au pressage à sec par séchage et broyage.

 

Le tableau 84.2 montre les procédés classiques de fabrication. Au moulage, la pâte en suspension aqueuse est versée dans un moule absorbant et la pièce est retirée après séchage partiel. Le façonnage au tour de potier est désormais rare dans la production industrielle. Le façonnage par étalement à l’extérieur ou à l’intérieur d’un moule en plâtre (calibrage), la pièce étant séparée du moule après séchage, est devenu le procédé quasi universel de la fabrication de la vaisselle. Le pressage, ou l’extrusion, de l’argile plastique est principalement limité aux céramiques industrielles. Les articles en poudre pressée sont obtenus par compactage à la main ou par pressage mécanique de la poudre préséchée qui constituera la pâte.

 

Après le façonnage, l’objet est séché puis lissé et essuyé avec un tissu ou une éponge. Il est alors prêt pour l’opération suivante, la cuisson du biscuit.

 

Après la cuisson du biscuit, la glaçure est appliquée par pulvérisation ou immersion, cette dernière pouvant être manuelle ou mécanique. L’objet glacé est alors à nouveau cuit. Parfois, comme dans le cas des céramiques sanitaires blanches, la glaçure est appliquée sur l’argile séchée et il n’y a qu’une seule cuisson.

 

La décoration se fait sous la glaçure ou par-dessus; elle peut être peinte à la main ou imprimée mécaniquement ou par décalcomanie. Si elle se fait sur la glaçure, la pièce doit subir une troisième cuisson, parfois davantage en fonction des différentes couleurs.

 

Enfin, on procède au tri et à l’emballage avant l’expédition. La figure 84.17 indique les étapes auxquelles sont soumis divers types de céramiques au cours de leur fabrication.

 

Les carreaux en céramique

 

Généralités

Le mot céramique désignait autrefois l’art ou la technique de fabriquer des poteries. Son étymologie remonte au grec keramos, signifiant «potier ou poterie», lui-même dérivé d’une racine sans-krite signifiant «brûler». Dans le sens où l’employaient les Grecs, il s’agissait simplement de «matière cuite» ou «terre cuite». A l’origine, donc, ce terme désignait un objet obtenu par l’action du feu sur de la terre.

 

Dans le cadre de cet article, nous entendons par «céramique traditionnelle» les matériaux de construction, ainsi que les objets à usage domestique ou industriel. Bien que le mot céramique évoque des procédés artisanaux, cette industrie fait souvent appel à une technologie de pointe. Une concurrence sévère parmi les fabricants a contribué à affiner les techniques et à réduire les coûts de fabrication par l’introduction d’outillage et de machines complexes, secondés par des procédés assistés par ordinateur.

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Tableau 84.2     Procédés de fabrication

 

Produits

Procédés habituels

Vaisselle

Façonnage d’argile plastique; moulage

Sanitaires

Moulage

Carreaux

Pressage à sec (revêtement de mur ou de sol, carreaux vitrifiés); pressage d’argile plastique (dalles de revêtement de sol)

Articles industriels

Pressage à sec; pressage d’argile plastique

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Figure 84.17     Fabrication des céramiques par types

 

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Les céramiques les plus anciennes sont à base d’argile. Les premiers potiers ont découvert que sa plasticité permettait de la façonner. Afin d’en réduire le retrait et le risque de fêlure, on y a ajouté du sable et des minéraux. Aujourd’hui, on trouve dans les pâtes à base d’argile des poudres de silice ou des minéraux alcalins qui agissent comme fondant. Traditionnellement, l’argile sert de plastifiant et de liant pour d’autres composants.

 

Le développement de l’industrie

La production de carreaux en argile sèche et cuite remonte à des origines très anciennes, aux temps où le Moyen-Orient était la Mésopotamie. L’industrie des carreaux de céramique fine s’est développée essentiellement en Europe et, dès le début du XXe siècle, on y a produit des carreaux de pavement (pour les sols) et de revêtement (pour les murs) à l’échelle industrielle. Le secteur s’est encore développé après la seconde guerre mondiale. C’est en Europe (Italie et Espagne, en particulier), en Amérique latine et en Extrême-Orient que se concentre aujourd’hui la production industrielle de carreaux de pavement et de revêtement.

 

L’introduction de nouvelles technologies, l’automatisation et l’intégration de stades de production dans le processus de fabrication ont permis un essor important de ce secteur d’activité à partir des années quatre-vingt. Il en est résulté des gains de productivité et une meilleure efficience en même temps qu’une réduction de la consommation d’énergie et des coûts. La fabrication des carreaux à pâte humide ou sèche est à présent continue, et beaucoup d’usines sont aujourd’hui presque entièrement automatisées. Parmi les innovations les plus marquantes des années quatre-vingt, il faut citer le broyage humide, le séchage par pulvérisation, le pressage à sec à haute pression, les techniques de séchage au tambour et de cuisson rapide.

 

On estime que le marché du carreau en céramique aux Etats-Unis (production plus importations) a augmenté à un taux composé annuel de 9,2% entre 1992 et 1994, les ventes étant estimées à 1,3 milliard de dollars en 1994. En même temps, le volume des ventes a augmenté au taux composé annuel de 11,9% pour atteindre 0,1 milliard de mètres carrés. Ces chiffres sont à comparer à une progression du marché de 7,6% en valeur et de 6,9% en volume entre 1982 et 1992.

 

La classification des carreaux de céramique

 

La céramique rouge et la céramique blanche

On trouve sur le marché de nombreux types de céramique. Ils se distinguent par la texture de la surface, la couleur de la pâte (blanche ou rouge), la technique de fabrication, les matières premières et l’utilisation finale. La quantité de composés ferreux présents dans la pâte donne aux céramiques leur couleur «blanche» ou «rouge». En réagissant avec les autres composants de la pâte, ils donnent une couleur plus ou moins intense et modifient le comportement de la pâte durant la cuisson.

 

Etant donné l’extrême diversité des carreaux, de leur mode de fabrication et des caractéristiques qui en découlent, il est pratiquement impossible d’établir une classification complète et exhaustive. Dans ce chapitre, on se référera aux normes européennes (EN) et à celles de la Société américaine pour l’essai des matériaux (American Society for Testing and Materials (ASTM)).

 

Les normes européennes classent les carreaux en céramique exclusivement selon leur pouvoir d’absorption de l’eau (qui est en corrélation directe avec la porosité) et leur mode de façonnage (extrusion ou pressage). Les méthodes de façonnage sont classées comme suit:

 

  procédé A de fabrication (carreaux extrudés pour sols). Ce procédé comprend les carreaux avec amorce de rupture et les carreaux extrudés individuellement;

  procédé B de fabrication (carreaux pressés à sec pour sols et murs).

 

La norme européenne EN 87, approuvée en novembre 1981 spécifie que «les carreaux en céramique pour sols et murs sont des matériaux de construction destinés généralement au revêtement des sols et des murs, tant à l’intérieur qu’à l’extérieur, quelles qu’en soient la forme ou la taille».