1.

Présentation

verre (industrie), solide fragile et généralement transparent, préparé par fusion d’un mélange complexe contenant de la silice. Il se trouve également à l’état naturel, sous forme d’obsidienne, de tectites, ou encore de fulgurites.

Le verre est une substance amorphe (non cristalline) composée principalement de silice fondue à haute température, à laquelle on ajoute des silicates, des borates, etc. Le verre est refroidi jusqu’à devenir rigide sans qu’il y ait cristallisation ; les molécules sont disposées de manière désordonnée, mais néanmoins avec suffisamment de cohésion pour offrir les propriétés d’un solide. Si on le réchauffe suffisamment, il peut reprendre une forme liquide. En général transparent, le verre peut également être translucide ou opaque. Sa couleur varie selon sa composition.

Le premier verre daterait de 2000 av. J.-C. On s’en servait pour réaliser des récipients fonctionnels, mais aussi des objets d’art (voir Verre).

2.

Composition

La composition des verres dépend des propriétés recherchées et du mode de fabrication. L’ingrédient de base est la silice, issue du sable ou du quartz. Les verres sont constitués de tétraèdres SiO₄ qui s’enchaînent les uns aux autres par leurs sommets pour donner la silice SiO₂. La silice, portée à son point de fusion, retrouve difficilement sa structure cristalline en refroidissant et tend vers une structure amorphe : le verre.

Dans la plupart des verres, la silice est combinée à d’autres matières premières en proportions variables. par exemple, les alcalis, en particulier les carbonates de sodium ou de potassium, abaissent sa température de fusion et sa viscosité. Ainsi, selon leur composition, certains verres fondent à 500 °C, alors que d’autres ne fondent qu’à 1 700 °C. La chaux et la dolomite (carbonate double de calcium et de magnésium) agissent comme stabilisateurs sur le mélange. Les oxydes de tantale ou de thorium augmentent considérablement l’indice de réfraction du verre pur. D’autres produits (généralement des oxydes) peuvent être ajoutés à un verre en fonction de l’application recherchée afin de modifier ses propriétés chimiques, physiques ou mécaniques. Les verres présentent également des propriétés optiques très différentes suivant leur nature. Actuellement, il existe plus de 100 000 types de verres.

1.

Verre à base de soude et de chaux

Le verre à haute teneur en soude peut se dissoudre dans l’eau pour former un fluide sirupeux. Appelé verre soluble, il est utilisé dans le commerce comme agglomérant dans des peintures ou des ciments. Le verre à base de soude et de chaux est utilisé pour fabriquer des bouteilles, du verre de table, des ampoules de lampe, du verre de vitrage et du verre laminé.

2.

Verres colorés

Les impuretés des matières premières affectent la couleur du verre. Pour obtenir une substance claire et incolore, les verriers ajoutent du manganèse pour contrer les effets des traces de fer qui donnent au verre une couleur marron-vert. La couleur dépend du colorant, de la quantité qui est ajoutée et de la composition de l’atmosphère environnant le verre en fusion. On colore généralement le verre en lui ajoutant des oxydes métalliques. Ainsi, on peut obtenir une coloration verte avec des sels de fer et de chrome, grise avec des sels de nickel, bleue avec des sels de cobalt, « rubis » avec des sels d’or, rouge ou orangée avec des sels de cadmium ou de sélénium. Les colorants ne sont pas toujours utilisés pour des raisons esthétiques. En effet, ils permettent parfois de modifier les propriétés physiques du verre afin, par exemple, de protéger contre des rayonnements extérieurs.

3.

Fabrication

1.

Fusion

Autrefois, la fusion, ou fonte, des matières premières était réalisée dans des pots en terre et des creusets (fabrication discontinue) qui ne sont plus employés aujourd’hui qu’en artisanat et pour la fabrication de petites quantités de verre, comme en optique. Dans les verreries modernes, la plus grande partie du verre est fondue dans de grands fours à bassin (fabrication continue), qui peuvent contenir plus de 1 000 t de verre et permettre une production journalière dépassant 500 t. Ces fours sont chauffés au gaz, au mazout ou à l’électricité. Les matières premières en mélange adéquat sont portées à l’état de fusion, entre 1 300 et 1 500 °C. Toutes les matières premières (mélange vitrifiable) sont concassées de manière à obtenir une granulosité fine, comprise entre 0,1 et 0,6 mm. On ajoute généralement au mélange des déchets de verre, appelés calcin ou groisil, afin d’accélérer le processus de fusion. La cuve de fusion est constituée d’un réservoir rectangulaire de plusieurs centaines de mètres carrés de surface en matériau réfractaire. Le mélange vitrifiable est introduit en continu par un orifice situé à une extrémité de la cuve, puis il progresse dans celle-ci en traversant les différentes zones de fusion, d’affinage et de repos.

2.

Affinage

De nombreuses réactions chimiques se produisent au cours du chauffage. Des gaz se libèrent dans le verre fondu et, comme la viscosité de celui-ci est très élevée, il se forme des bulles qui n’atteignent pas la surface du bain de verre. Les gaz, provenant de l’air ambiant, et produits lors des réactions chimiques ne sont donc pas éliminés du verre, ce qui affecte sa qualité et ses propriétés physico-chimiques. Afin de remédier à ce problème, la température du verre est augmentée vers le milieu de la cuve de fusion afin de diminuer sa viscosité. On introduit dans ce bain « surchauffé » des agents d’affinage — essentiellement des nitrates, des sulfates et des oxydes —, qui se décomposent à haute température en libérant des gaz. Ces derniers forment des bulles plus grosses, qui atteignent plus facilement la surface du bain en entraînant avec elles les bulles plus petites.

3.

Façonnage

Après la fusion et l’affinage, le verre est refroidi à une extrémité de la cuve. On ajuste ainsi la viscosité du matériau, qui peut alors être mis en forme (généralement entre 800 et 1 200 °C). Il existe différents modes de façonnage : le soufflé, le pressé-soufflé, l’étirage ou encore le laminage. Tous ces procédés, utilisés depuis des siècles, ont été améliorés pour produire du verre à usage industriel. Ainsi, on peut utiliser des machines de soufflage entièrement automatisées. Le verre peut être peint ou verni, être rendu opaque ou être poli en projetant des abrasifs (du sable par exemple) ou en utilisant une meule ou des acides. Il est possible de déposer sur le verre un revêtement superficiel comme un traitement antireflet ou semi-réfléchissant. Les techniques industrielles utilisées pour la fabrication de produits en verre sont variées et dépendent généralement du type de produit ainsi que du type de verre.

4.

Types de verre

Les emplois du verre sont très variés, de l’utilisation quotidienne à la haute technologie. Ils donnent lieu à une production très importante. La production annuelle de la France (environ 6 p. 100 de la production mondiale) est de plus de 3 millions de t.

1.

Verres plats

1.1.

Verres de vitrage

Les vitres étaient jadis fabriquées par étirage (procédé Pittsburgh), et les glaces, par laminage, suivi d’un travail mécanique. Actuellement, on prépare les verres de vitrage par flottage sur un bain d’étain (procédé Pilkington). Le verre s’aplatit sur ce bain et peut présenter toutes les épaisseurs comprises entre 3 et 18 mm.

1.2.

Verres coulés

Le procédé utilisé pour la fabrication des verres de vitrage ordinaires ne leur donne pas une épaisseur totalement homogène. Les variations d’épaisseur déforment l’aspect des objets vus à travers les vitres. Pour pallier cet inconvénient, on emploie des verres coulés, ou verres laminés. On les obtient par passage du matériau entre des rouleaux imprimés ou gravés. Lorsque la feuille de verre ainsi obtenue a été recuite, ses deux côtés sont alors polis en continu et simultanément.

Le verre laminé, souvent décoré à l’aide de motifs incrustés dans les rouleaux, est surtout utilisé en architecture. Durant l’opération de laminage, on introduit parfois un treillis en fil de fer dans le verre fondu avant qu’il ne passe entre les rouleaux. Ce type de verre, appelé verre armé, se brise très difficilement. Le verre de sécurité, utilisé notamment dans les pare-brise des voitures, est obtenu en plaçant une feuille de plastique transparent entre deux feuilles très minces de verre. Le plastique adhère étroitement au verre et maintient en place les fragments cassés lors d’un choc.

2.

Verres creux

Les verres creux sont utilisés pour fabriquer les bouteilles, les bocaux, les flacons, les tubes, les ampoules, les briques et les pavés. Le verre fondu est acheminé par un canal en matériau réfractaire jusqu’à la souffleuse, dans laquelle il est réparti par des distributeurs volumétriques. La composition du verre est différente suivant le produit fabriqué. Pour un contenant de produits alimentaires, on emploie un verre sodico-calcique. La teinte verte des bouteilles de vin de Bordeaux, par exemple, provient d’un additif qui rend le vert imperméable au rayonnement qui pourrait altérer la qualité du vin.

Les briques de verre sont des blocs de construction creux, dont les côtés sont striés ou imprimés, et qui peuvent être incorporées dans du mortier et utilisées pour la construction d’une partie de murs extérieurs ou de cloisons intérieures. Ces briques sont obtenues par pressage.

3.

Fibres de verre

On peut obtenir des fibres de verre qui peuvent être tissées ou feutrées, comme les fibres textiles. Pour cela, on étire le verre fondu jusqu’à ce qu’il présente un diamètre compris entre 0,5 et 15 µm (15 millionièmes de mètre). Il est possible de fabriquer des fils longs, continus et multifilaires aussi bien que des fibres courtes de 25 à 30 cm de long. Tissées dans certains textiles, les fibres de verre constituent d’excellentes étoffes et de très bons matériaux d’ameublement grâce à leur stabilité chimique, leur solidité et leur résistance au feu et à l’eau. Les fibres de verre seules, ou associées à des résines, forment d’excellents isolants électriques. En imprégnant les fibres de verre de plastique, on obtient une fibre de verre mixte qui allie la solidité et l’inertie du verre à la résistance aux chocs du plastique.

On obtient les fibres de verre selon deux procédés. On peut effectuer un étirage mécanique à grande vitesse, la vitesse déterminant le diamètre des fibres qui est compris entre 1 et 8 µm. Ces fibres sont destinées à l’ameublement, au renforcement de matière plastique ou du caoutchouc, du plâtre, du papier, à l’isolement électrique ou à la fabrication de tissus industriels. La deuxième méthode de fabrication consiste à étirer le verre par entraînement de filets fluides de verre par des jets d’air ou de vapeur. On obtient par ce procédé des fibres discontinues, minces et de longueur variable. Elles sont utilisées pour fabriquer des panneaux, de la laine et des cordons (essentiellement pour l’isolation thermique et acoustique).

4.

Verres techniques

Ils comprennent surtout les verres d’optique et ceux qui présentent des caractéristiques mécaniques ou électriques spécifiques.

4.1.

Verres d’optique

Les verres d’optique sont utilisés dans la plupart des lentilles des lunettes, microscopes, télescopes, appareils photographiques, etc. Ils sont parfaitement transparents. Leur fabrication est délicate et minutieuse. Les matières premières doivent être extrêmement pures, et le plus grand soin doit être apporté au procédé de fabrication afin qu’aucune imperfection ni impureté ne puisse s’y introduire. De petites bulles d’air et des inclusions de matière non vitrifiée provoquent en effet des déformations à la surface des lentilles. Des stries ou des rayures causées par une hétérogénéité dans la composition chimique du verre sont également à l’origine de déformations du matériau, ce qui entraîne une modification de ses qualités optiques.

À l’origine, les verres d’optique étaient fondus dans des pots pendant une période assez longue, au cours de laquelle on les agitait au moyen d’une baguette réfractaire. Après un long recuit, le verre était brisé. Les morceaux les plus purs étaient ensuite réduits, chauffés à nouveau et moulés à la forme souhaitée. De nos jours, on fabrique les verres d’optique dans des réservoirs verticaux doublés de platine (afin d’éliminer tout risque de contamination par les parois), munis d’agitateurs et chauffés électriquement. Ce procédé permet d’obtenir de plus grandes quantités de verres d’optique, à un moindre prix de revient et de qualité supérieure au verre produit par l’ancienne méthode d’homogénéisation. Les matières plastiques sont de plus en plus utilisées à la place du verre d’optique pour les lentilles simples. Bien qu’elles ne soient pas aussi solides et résistantes à l’abrasion que le verre, elles sont mécaniquement résistantes et légères et peuvent absorber les colorants.

4.2.

Verre de silice

Le verre de silice pure — ou verre de quartz — est un excellent isolant thermique, acoustique et électrique. Il présente un coefficient de dilatation thermique très faible, c’est un excellent diélectrique et il est en général transparent aux rayonnements ultraviolets. Sa propriété la plus remarquable est sans doute sa résistance très élevée aux attaques chimiques. Sa température de fusion est toutefois élevée (1 710 °C) et à l’état liquide sa viscosité est très élevée, ce qui rend son travail et sa fabrication difficiles.

Il s’obtient par fusion du quartz à très haute température (au-dessus de 2 000 °C). Ce verre présente une résistance thermique très élevée. Il se rétracte et se dilate très peu lors d’un changement de température. C’est pourquoi il convient parfaitement à des appareils de laboratoire et à des objets soumis à des chocs thermiques (changements brutaux de température), comme les miroirs de télescope.

4.3.

Verre à base de plomb

Le verre de table fin, appelé cristal, est un verre à base d’oxyde de plomb (de 18 à 30 p. 100 du mélange). Il est brillant, très limpide et possède un indice de réfraction de la lumière très élevé. C’est pourquoi on l’emploie pour fabriquer des lentilles et des prismes, ainsi que des bijoux. Les verres à base de plomb entrent également dans la composition des écrans protecteurs portés par le personnel travaillant sur les installations nucléaires.

4.4.

Verres photochromiques

Les verres photochromiques sont photosensibles : ils foncent en présence de lumière et retrouvent leur couleur d’origine à l’abri de la lumière. Il existe deux types de verre photochromique. Certains comprennent, dans leur masse vitreuse, de minuscules grains de chlorure ou de bromure d’argent uniformément répartis. L’intensité de ces verres évolue à la lumière en un temps relativement long, de l’ordre d’une minute. On utilise ce genre de verre en lunetterie, en particulier dans certaines lunettes de soleil. D’autres verres photochromiques sont constitués de deux feuilles de verre, entre lesquelles est intercalé un matériau comprenant des particules organiques photochromiques. Ce type de verre a une durée de vie limitée, et s’emploie essentiellement en électronique (flash d’appareil photo).

4.5.

Vitrocéramiques

Les vitrocéramiques sont constituées de cristaux de dimension généralement inférieure au micromètre, qui se forment localement et uniformément lorsqu’ils sont soumis à de très hautes températures. La constitution de ces microcristaux, qui sont dispersés dans la masse vitreuse, est due à l’introduction dans le verre de substances comme le silicate de lithium, l’oxyde de titane ou de zirconium, qui favorisent la cristallisation partielle de la phase vitreuse. Ces céramiques cristallines présentent en particulier des propriétés de grande résistance mécanique, thermique et chimique, contrairement aux céramiques traditionnelles ou au verre ordinaire. Les vitrocéramiques sont utilisées dans la fabrication d’ustensiles de cuisine et de plaques de cuisson. Elles entrent également dans la composition des têtes de fusée et des navettes spatiales. Voir aussi Céramiques nouvelles.

4.6.

Verre mousse

Le verre mousse, utilisé dans des flotteurs ou comme isolant, est obtenu en ajoutant un agent moussant au verre finement dépoli et en chauffant le mélange jusqu’au point de fusion. À cette température, l’agent moussant libère un gaz produisant une multitude de petites bulles à l’intérieur du verre. Il présente ainsi une faible densité.

4.7.

Fibres optiques

À partir des années 1950, les fibres optiques furent largement employées dans le domaine de la recherche scientifique, médicale et industrielle. Ces fibres de verre à haut indice de réfraction, placées parallèlement les unes aux autres et séparées par de minces couches de verre de faible indice de réfraction, peuvent transmettre des signaux électromagnétiques (dont la lumière) avec des pertes presque nulles et avec des débits très élevés. Les endoscopes sont équipés de telles fibres, facilitant ainsi l’examen de cavités du corps humain normalement inaccessibles. Les fibres optiques sont maintenant utilisées dans le domaine des télécommunications, et promises à un grand avenir. Par exemple, combinées aux lasers, elles sont utilisées dans la téléphonie longue distance et dans la télé-informatique.

4.8.

Verres au fluor

Les verres au fluor contiennent une quantité variable de fluor, selon leurs applications. Par exemple, le verre laser contient des fluorophosphates. Il émet un rayon laser lorsqu’il reçoit de la lumière ordinaire (pompage optique). Il existe également un verre laser à base de néodyme, qui émet un rayon laser impulsionnel. On l’emploie en télémétrie militaire, ainsi que dans les études de plasmas et de fusion nucléaire.

Les verres de fluorures contiennent des fluorures d’aluminium ou de zirconium. On les utilise comme verres d’optique pour leur bonne transmission dans l’infrarouge. Ils entrent également dans la composition de certaines fenêtres pour laser.

Voir aussi Cristal ; Verre (art).