Memoire Pour MFG

Chapitre I Généralités sur le verre

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1-Introduction :

Le verre a connu, ces dernières décennies, une évolution technologique spectaculaire dans le

secteur du bâtiment. Il est ainsi passé de la simple vitre au vitrage possédant de multiples propriétés

tel la résistance mécanique, sécurité, isolation thermique et acoustique, contrôle solaire et

décoration.

Les exigences du domaine de bâtiment au niveau de la consommation énergétique de la

construction, ses résistances aux différents agents climatiques, son coté esthétique et la commodité

de son entretien, nous pousse à bien choisir les bons matériaux pour la réaliser. Grace à ses qualités

obtenues lors de sa transformation, le verre se voit un matériau de valeur qui pourra satisfaire aux

exigences citées.

En effet, le dépôt de couche d’oxydes sur le verre lui offre de des nouvelles propriétés, ainsi

le verre acquit des nouvelles fonctionnalités ; on cité l’autonettoyant pour l’oxyde de titane,

l’electrochrome pour l’oxyde de tungstène et autre fonctionnalités.

De même le verre feuilleté, se caractérisant par sa résistance mécanique élavée, donne à la

structure un aspect sécuritaire, il est efficace contre les actes de vandalisme et en se brisant, le

risque de blessure et bien amorti.

Le vitrage isolant se distingue comme étant la solution pour une consommation économique

de l’énergie d’une maison ; aussi, son isolation acoustique assure une sérénité totale, ce qui lui

ouvre le champ pour son utilisation dans des édifices spéciaux comme les hôpitaux, écoles…etc.

Avec tous ses avantages, et les bénéfices qu’il apporte au monde de la construction, le verre

reste un matériau indifférencié dans notre pays ; et pourtant, son utilisation chez nous s’avère de

plus en plus nécessaire.


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2- Généralités sur le verre

2.1- définition du verre :

Plusieurs définitions peuvent être données pour un verre. Par exemple, l’Encyclopedia

Universalis (Reyches, 1989) rapporte de nombreuses définitions du verre selon différents points de

vue :

Définition courante : solide obtenu par le figeage d'un liquide ;

Définition structurale : un verre est un solide non cristallin.

On peut aussi dire que le verre est formé par un assemblage tridimensionnel désordonné de

groupements structuraux fondamentaux, semblables à ceux de l'état cristallin ;

Définition thermodynamique : il s'agit d'un matériau hors d'équilibre, dont l’énergie est

supérieure à celle des produits cristallisés correspondants et dont le retour à une situation plus stable

(cristallisation) ne peut pas se faire qu’après des durées considérables.

Selon l'American Society for Testing Materials (1945), le verre est un matériau inorganique

produit par fusion, qui a été refroidi dans des conditions qui ont empêché sa cristallisation. D'après

Zarzycki (1982), un verre est un solide non cristallin présentant une transition vitreuse. Et selon

Sholze (1991), le verre est un liquide surfondu figé.

La modalité de solidification d’un verre est très différente de celle de la silice cristalline.

Lorsqu’on refroidit de la silice fondue, elle cristallise à une température donnée (température de

cristallisation : Tc). En revanche pour un verre, pendant un intervalle dit de transformation (entre Tt

et Tc), on assiste à un passage progressif par des états de viscosité différents, de l’état liquide vers

l’état vitreux. Dans cet intervalle, le verre se comporte comme un liquide surfondu. Tt est définie

comme la Température de transition ; pour un verre silicaté il s’agit de la température à laquelle la

viscosité est voisine de 1013 poises (Zarzycky, 1982).

2.2- Structure et vitrification :

2.2.1- Critère de GOLDSCHMIDT :

En cherchant les conditions de vitrification pour les oxydes simples de formule

stœchiométrique AmOn, Goldschmidt a cru que le critère pouvait être le rapport rA/r0 des rayons

ionique du cation et de 1 ' oxygène ; pour les oxydes formant des verres, ce rapport devrait être

compris entre 0,2 et O, 4. Or d'après les considérations classiques de cristallochimie, pour des

structures ioniques, ce rapport est en relation directe avec le nombre de coordination du cation

central, d'où l'intervalle proposé implique donc une coordination tétraédrique. [1]


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2.2.2- Règles de ZACHARIASEN :

Un examen plus complet de différents cas montre que le critère de Goldschmidt est

insuffisant : l'oxyde de BeO par exemple qui pourtant satisfait au critère étant impossible à vitrifier.

Zachariasen a repris le problème et, par un raisonnement empirique, a établi un ensemble de règles

qui ont eu un retentissement considérable sur la recherche verrière. Son analyse était fondée sur la

considération suivante :

a) les forces de liaisons interatomiques dans le verre et dans le cristal doivent être semblable,

étant donné les propriétés mécaniques voisines des deux types de solides.

b) comme les cristaux, les verres doivent être formés par un "réseau" tridimensionnel

étendu, mais le caractère diffus des spectres de diffraction X montre que ce réseau n'est

pas symétrique et périodique comme dans les cristaux, c'est à dire qu'il n'y a pas d'ordre

à longue distance.

Le désordre du réseau introduirait une distribution des forces de liaison ; leur rupture

progressive au chauffage expliquerait la décroissance graduelle de la viscosité. Le désordre

expliquerait de plus un contenu énergétique supérieur à celui du cristal.

Zachariasen a montré qu'un oxyde formant un verre devrait satisfaire à l'ensemble des règles

suivantes :

1. - le nombre d'oxygènes entourant 1 'atome cation doit être petit,

2.- aucun oxygène ne doit être lié à plus de deux cation A.

3.- les polyèdres peuvent avoir des sommets communs mais pas d'arrêtes ni de faces

communes.

4. - au moins trois sommets de chaque polyèdre doivent être partagés avec d’autres

polyèdres.

Zachariasen a ensuite passé en revue les possibilités de vitrification suivant la stœchiométrie

de l'oxyde. Les oxydes A2O ou AO ne peuvent satisfaire aux règles précédentes et ne devraient

donc pas former de verres. Et effectivement, aucun des oxydes des éléments des groupes I et II ne

forme de verre.


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Les règles 2, 3 et 4 sont satisfaites :

a) dans les oxydes A2O3 lorsque les oxygènes formant des triangles autour des atomes A.

b) pour les oxydes AO2 et A2O5 lorsque les oxygènes forment des tétraèdres.

c) pour les oxydes AO3, A2O7 lorsqu'ils forment des octaèdres.

Ne connaissant pas d'exemple de formation de verre dans ce groupe, Zachariasen a conclu

que seuls les arrangements triangulaires et tétraédriques satisfaisant aux conditions de la règle 1

qu'il a rendue plus spécifique : “ le nombre des oxygène entourant A doit être 3ou 4“.

En examinant systématiquement les propriétés de coordinence des cations dans différentes

oxydes cristallisés ; zakariassen a conclu que seul B2O3, SiO2, GeO2, P2O5, As2O5 et As2O3 ont été

réellement vérifiés. Ils satisfont tous aux règles. La structure de SiO2 et GeO2 étant basée sur des

tétraèdres (AO4) et celle de B2O3 et As2O3 sur des triangles (AO3) [1].

2.2.3- La transition vitreuse

Le phénomène de la transition vitreuse est bien illustre par l’évolution du volume en

fonction de la température. La figure () montre schématiquement l’exemple d’un liquide

suffisamment visqueux à TL pour franchir cette température sans cristalliser. On voit sur cette

figure que le volume au-dessous de TL se situe d’abord dans l’extrapolation des valeurs qu’il prend

au-dessus de TL.

Mais a la température TG ou la viscosité atteint environ 1012 Pa.S., il y a une diminution

significative de la pente de la courbe de variation qui devient proche de celle que présente le solide

cristallise.

En revanche à cette température TG on n’observe pas de changement brutal du volume

comme c’est le cas lorsqu’il y a passage de l’état liquide à l’état solide. Ceci montre qu’’il n’y a pas

de variation structurale au passage de TG. La substance obtenue au-dessous de TG, qui a la

structure du liquide mais les propriétés du solide, est le verre.

La transition vitreuse s’observe aussi en suivant les variations, en fonction de la

température, de diverses propriétés comme l’indice de réfraction, l’enthalpie, la conductivité

électrique : on constate systématiquement a TG un changement de la pente de la courbe

représentative de la propriété en fonction de T [2].


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Figure 1. Genèse de l'état vitreux

2.3- Les propriétés du verre :

2.3.1- Propriétés rhéologiques

2.3.1.1- Viscosité :

La viscosité peut être définie comme le frottement interne des liquides. Elle est mesurée en

poise, le poise étant la viscosité dynamique d'un liquide opposant une résistance d'une dyne au

glissement dans son plan d'une surface plane d'un centimètre carré, avec un gradient de vitesse d'un

centimètre par seconde et par centimètre.

Elle est désignée, par la lettre grecque η. Son inverse, utilisé dans certains calculs, y, est la

fluidité. La viscosité est la caractéristique la plus importante des verres. Sa connaissance est

indispensable à leur élaboration et à leur utilisation. Elle conditionne, en particulier, tous les

procédés de façonnage. Quelques valeurs de viscosité exprimées en logarithme décimal et les

températures correspondantes.


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Figure 2.Variation de la viscosité en fonction de la température.

Tableau1 : Points fixes de viscosité.

Points Fixes log η

(η en Pa.s)

Opération technique

Température de fusion 1 Fusion et affinage

Température de travail 3 Cueillage, moulage, étirage,

laminage, soudure

Température de

ramollissement

6,65 Soufflage (Littleton)

Température de

ramollissement

dilatométrique (point R)

≈ 10 Sortie de moule

Annealing point 12 Début de recuisson

Point S (transition vitreuse) ≈ 12

Strain point 13,5 Fin de recuisson

Point I ≈ 15


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2.3.1.2- La tension superficielle :

Au sein d’un liquide ou d’un solide isotrope, l’ensemble des forces de liaison auxquelles est

soumis un atome ont une résultante nulle alors que celles qui agissent sur un atome situe a la surface

libre ont une résultante f non nulle dirigée vers l’intérieur.

Par conséquent pour accroitre l’aire de la surface libre il faut fournir un travail pour

transférer les atomes de l’intérieur vers la surface, en s’opposant à la force f. On admet que si la

surface libre d’un système thermodynamique augmente de dA, son énergie libre augmente de :

dW = σ .dA.

Le facteur de proportionnalité σ entre le travail dépense et l’accroissement de la surface se

nomme “ énergie de surface “ ou “ tension superficielle “ et s’exprime en J.m–2.

2.3.2- Propriétés électriques

2.3.2.1- Conductibilité électrique :

Le passage du courant dans un matériau, ou phénomène de conduction électrique est

caractérisé par la conductivité définie par la relation :

P = σ E

Où P est la densité de courant et E le champ électrique appliqué.

Dans le cas d'un matériau isotrope comme le verre, σ est un scalaire, l'inverse de σ est la

résistivité ς. Les unités et sont respectivement Ωm et (Ωm) -1. La conductivité des verres dépend

essentiellement de leur nature .A la température ambiante, la plupart des verres d'oxydes sont des

isolants types, leur conductivité étant de l'ordre de 10 - 17 à 10 - 5 (Ωm) - 1.

2.3.3- Propriétés mécaniques

2.3.2.1- La dureté :

La dureté en général est la résistance d’un solide à la pénétration d’une pointe, d’une bille

d’un outil, c’est à dire à la déformation de la surface. Dans l’industrie verrière, la dureté est une des

propriétés les plus importantes, c’est une grandeur qui nous détermine les verres durs et les verres

tendres.


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Pour différencier les verres à faible coefficient de dilatation qui se ramollissent à

température élevée (verres durs), des verres à coefficient de dilatation élevée (supérieur à 50.10-7)

qui se ramollissent à température relativement basse (verres tendres).

Le classement des verres, au point de vue de la dureté dépend de la méthode d’essai. Ces

différentes méthodes : rayures, abrasion, empreinte reposent sur des principes différents, elles

conduisent donc à des résultats qui ne sont pas comparables. D’autres essais tel que celui du

célérimètre ont été faits pour établir un classement plus précis.

Ce classement se base soit sur la valeur de la force nécessaire pour créer une rayure de

dimension donnée, soit sur les dimensions d’une rayure créé sous l’effet d’une donnée.

2.3.2.2- Densité

La densité du verre est de 2,5, soit une masse de 2,5 kg par m2 et par mm d’épaisseur pour

les vitrages plans. La masse volumique, exprimée dans le système d’unités légal, est de 2 500

kg/m3. Un m2 de verre 4mm a donc une masse de 10 kg

2.3.2.3 - Résistance à la compression

La résistance du verre à la compression est très élevée : 1000 N/mm2 ou 1 000MPa. Ceci

signifie que, pour briser un cube de verre de 1 cm de côté, la charge nécessaire est de l’ordre de 10

tonnes.

2.3.2.4 - Résistance à la flexion

Un vitrage soumis à la flexion a une face en compression et une face en extension. La

résistance à la rupture en flexion est de l’ordre de : 40 MPa (N/mm2) pour un verre float recuit ; 120

à 200 MPa (N/mm2) pour un verre trempé (suivant épaisseur, façonnage des bords et type

d’ouvrage). La valeur élevée de la résistance du verre trempé (SGG SECURIT) est due au fait que

son traitement met les faces du vitrage en forte compression.

2.3.2.5- Élasticité

Un corps solide subit une déformation sous l’action d’une force de déformation, si cette

déformation disparaît par suppression de la force, le corps est appelé élastique. La loi de HOOK

exprime que la déformation D est proportionnelle à la contrainte σ appliquée.

σσσσ = E.D


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Le verre est un matériau parfaitement élastique : il ne présente jamais de déformation

permanente. Il est cependant fragile, c’est-à-dire que, soumis à une flexion croissante, il casse sans

présenter de signes précurseurs.

2.3.2.6- Module de Young, E

Ce module exprime la force de traction qu’il faudrait théoriquement appliquer à une

éprouvette de verre pour lui communiquer un allongement égal à sa longueur initiale. Il s’exprime

en force par unité de surface. Pour le verre, selon les normes européennes :

E = 7x1010 Pa= 70 GPa.

2.3.2.7- Coefficient de Poisson :

Lorsqu’une éprouvette subit un allongement sous l’influence d’une contrainte mécanique, on

constate un rétrécissement de sa section. Le coefficient de Poisson Ó est le rapport entre le

rétrécissement unitaire sur une direction perpendiculaire au sens de l’effort et l’allongement unitaire

dans la direction de l’effort. Pour les vitrages du bâtiment, la valeur du coefficient Ó est de 0,2.

2.3.4- Les propriétés thermiques

Les propriétés thermiques sont directement liées aux changements de température. Ce sont

essentiellement : la chaleur spécifique, le coefficient de dilatation thermique et la conductivité

thermique.

2.3.4.1- La chaleur massique

Dans la pratique, la grandeur la plus utile est la chaleur massique c qui est la quantité de

chaleur qu’il faut apporter a un kilogramme de la Substance pour élever de un degré sa température.

La chaleur massique c varie peu d’un verre a l’autre ; pour un verre sodocalcique Au-dessous TG, c

varie en fonction de la température suivant l’équation empirique :

c = 909,81 + 0,34682 T – 1,7641.107 T–2 [6]

c étant exprime en J.kg–1.K–1 et T en K. A 300 K on trouve c = 818 J.kg–1.K–1.


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Figure3. La chaleur spécifique d'un verre sodo-calcique en fonction de la température

2.3.4.2- La conductivité thermique :

La conductivité thermique mesure la capacité d’un matériau conduire la chaleur. Elle

définit comme le rapport du flux de chaleur au gradient de température ; elle est mesurée en

joules par seconde par mètre carré de surface d’un corps pour une différence de température de

1°C par 1 mètre d’épaisseur. [j/m.s.c].

La conductivité thermique d’un verre à la température ambiante est relativement faible elle est

d’environ : 2.926à 5.434 kJ/m.s.c.

Figure 4.dispositif pour la mesure de la conductivité thermique


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2.3.4.3- La dilatation thermique :

La dilatation thermique d’un verre joue un grand rôle dans sa résistance au changement de

température. Elle dépend beaucoup de la composition en oxydes, on peut en calculer

approximativement la valeur à partir de la composition chimique. Actuellement elle est mesurée à

l’aide de dilatomètre. [4]

Tableau 2.dilatation thermique de quelques verres.

Type du verre α °C 10-7

verre plat

Verre borosilicate

vycore

80-90.

80

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2.3.5- Propriété optique :

2.3.5.1- Transparence :

La transparence d'un verre est une notion liée à la transmission optique définie par la loi de

Beer Lambert :

Avec I0 intensité d’un rayon entrant dans un volume, défini à l’intérieur du verre,

d’épaisseur x, I intensité du rayon émergeant. α est le coefficient d’absorption qui est relié à l’indice

d’absorption K par :


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Si la transmission est mesurée au travers d'un volume de matière, l'intensité transmise est

plus faible en raison des pertes par réflexion sur les faces d'entrée et de sortie. Dans le cas où le

rayon lumineux entrant est sous incidence normale.

Où R exprime la réflexion :

n’ : est le rapport entre l'indice de réfraction du verre et celui du milieu environnant. Dans le

domaine du visible, K, qui a une très faible valeur, peut être négligé.

n et K sont respectivement les grandeurs réelles et imaginaires de l'indice de réfraction complexe

Ces grandeurs sont les manifestations de l'interaction d'une onde électromagnétique avec des

oscillateurs du réseau.

2.3.5.2- L'indice de réfraction du verre :

Il est calculé à partir de la formule :

Où c est la vitesse de la lumière dans le vide, v est la vitesse de la lumière dans le verre. Le

verre étant un matériau diélectrique, l’indice de réfraction complexe est relié à la permittivité

relative complexe.

À l’aide de cette expression et de l’équation du mouvement pour un oscillateur harmonique

simple, on peut calculer les évolutions de n et K en fonction de la fréquence.


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Figure 5.évolution de l'indice de réfraction et de l'absorption du verre en fonction de la

fréquence ou de la longueur d’onde de la lumière incidente.

2.3.5.3- La transmission

La transmission est l'aptitude d'un verre à laisser passer la lumière. Le coefficient de

transmission d'un verre de lunettes est le rapport entre la lumière émergente et la lumière incidente.

Le coefficient de transmission est plus élevé sur un verre de lunettes traité contre les reflets que sur

un verre non traité.

L'indice de réfraction n varie brutalement lorsque la fréquence de la lumière incidente

devient proche de celle correspondant à la résonance de l'oscillateur. Pour cette fréquence,

l'absorption est maximale. La transmission optique décroît lorsque l'indice augmente en raison des

réflexions déjà mentionnées. La perte par réflexion est particulièrement importante pour les verres

de chalcogénures qui, bien que transparents dans le domaine de l'infrarouge, ont un indice élevé [5].


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Figure 6.Situation du spectre de transmission du verre par rapport aux spectres des

rayonnements solaire et terrestre et à la lumière visible

2.3.6- Propriétés chimiques :

Les verres sont généralement considérés comme des matériaux résistants bien aux différents

agents chimiques. Pour cette raison, ils sont utilisés à la fabrication des contenants destinés au

stockage et au transport des denrées alimentaires, des produits chimiques et pharmaceutiques ; on les

utilise généralement dans l’industrie, en milieu corrosif sous forme de : verre de regard, canalisation,

appareils à distiller, ... etc.

Cependant, tous les verres n’ont pas la même résistance aux agents chimiques et il est

indispensable d’arrêter un choix judicieux sur un verre, de bien connaître son comportement aux

différentes attaques possibles à l’eau, alcaline, acide [5].

2.3.6.1- Mécanisme de l’attaque :

L’eau est susceptible d’hydrolyser le verre, les ions H+ prend la place des ions Na+ ou Ca2+

qui passent en solution aqueuse. Il se forme à la surface du verre un gel de silice qui peut retenir les

ions alcalins et place le verre dans les conditions d’attaque alcaline. Les solutions alcalines peuvent

dissoudre la silice elle même, de sorte que l’attaque est plus rapide que celle de l’eau. La vitesse

d’attaque est sensiblement constante et elle est une fonction exponentielle de la température et du

pH. L’acide fluorhydrique agit de la même façon. Les acides ordinaires dissolvent seulement les

alcalins et alcalino-terreux, de sorte qu’ils ne peuvent attaquer le verre en profondeur qu’après avoir

diffusé à travers le réseau de silice. Ce mécanisme explique le fait que la vitesse d’attaque décroît en

fonction du temps.


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2.3.6.2- Essai d’altérabilité :

La vitesse de corrosion dépend d’un grand nombre de facteurs de sorte qu’un seul essai

d’utilisation réelle peut enseigner exactement sur l’attaque, dans les conditions données. Toutefois,

on peut évaluer la résistance moyenne des verres et les classer en les soumettant à des essais

normalisés.

a-Attaque à l’eau :

L’eau attaque le verre après un temps très long de contact. Il se produit un phénomène de

dévitrification et extraction. L’extraction est la conséquence du contact de l’eau avec la surface du

verre. L’attaque par l’eau est beaucoup plus forte aux températures élevées.

La teneur en CaO et en SiO2 joue également un rôle tel que la solubilité de ces corps à température

élevée est supérieure à celle des alcalins. Les verres contenant B2O3 sont particulièrement résistants,

mais ce sont les verres quartzeux qui ont la résistance la plus élevée.

b-L’attaque acide :

L’attaque du verre par les acides ne diffère pas de celle par l’eau aux basses températures au

début de contact mais dans le cas général, après un certain temps on remarque qu’il y a formation de

couches de protection à la surface du verre, il en résulte une diminution de l’attaque, c’est ainsi que

l’acide sulfurique forme des couches de protection de BaSO4 sur les verres contenants du baryum ou

plomb.

c-L’attaque alcaline :

L’eau et l’acide extraient les substances du verre, tandis que les alcalis la dissolvent. Il n’y

pas formation de couches protectrices tout le verre est peu à peu désagrégé. L’action des alcalines

caractéristiques des carbonates et des solutions d’ammoniaque est la plus forte, la dissolution de la

surface du verre est 100 à 1 000fois plus grande que par l’eau. Les verres les plus sensibles aux

alcalis sont ceux qui contiennent beaucoup de B2O3 et P2O5 ou ZnO et PbO mais peu de SiO2 et de

CaO. Al2O3 augmente généralement la résistance aux alcalins. Un alcalin très faible agit comme

l’eau.


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3- La fabrication du verre plat

L’idée de produire un verre plat sur un substrat métallique remonte au 19ème siècle. Le

premier travail est du à M. Henry Bessemer qui obtint un brevet pour un procédé de production du

verre sur un lit de métal fondu. Il évoque la nécessité de travailler en atmosphère réduite afin de

prévenir l’oxydation de l’étain. Un prototype plus intéressant, attribuable à la Pittisburg Plate Glass

Company, date des années 1920. Le système expérimental prévoyait l’ajout d’un petit bain de métal

(étain ou Plomb) au four d’écrémage du verre (Edge, 1992).

Le verre devait être refroidi immergé dans le bain métallique et retiré du bain au moyen

d’une série de rouleaux. Bien que construit ce système n’a jamais été productif. Le système de

production actuelle se base sur le dispositif breveté par Sir Alastair Pilkington en 1959.

Ce procédé prévoit la production d’un ruban de verre par laminage. Puis ce ruban est déposé

sur un bain d’étain fondu. La face en contact avec le métal épouse la planéité de la surface du bain.

La face supérieure devient plate par l’action de la tension superficielle qui tend à étaler le ruban.

Des critères comme le coût, la toxicité, la pression de vapeur, et l’indifférence chimique avec le

verre, ont été fondamentaux pour le choix de ce métal. Actuellement le procédé « float » est le plus

utilisé pour produire du verre plat de haute qualité au niveau mondial.

3-1- Les procédés de fabrication du verre plat :

3-1-1- Le procédé Fourcault :

L’étirage d’un ruban de verre par immersion et extraction d’un peigne métallique vertical est

simple dans son principe mais présente l’inconvénient que sous l’action de la tension superficielle le

ruban vertical à tendance à se rétrécir et de plus son pied n’est pas suffisamment stable. Le procédé

Fourcault qui fut exploite a partir de 1913 résolvait ces deux problèmes par l’emploi de la débiteuse

et de refroidisseurs [3].

Figure 7. Procédé Fourcault pour le verre plat


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La débiteuse est une pièce de réfractaire de 3 m de longueur qui a la forme d’une auge dont

le fond comporte une fente longitudinale. Des tiges métalliques verticales permettent de régler

l’enfoncement de cette pièce dans le bain. Sous l’action de la pression hydrostatique, le verre jaillit

par la fente de la débiteuse, ce qui définit la position du pied de feuille. Les refroidisseurs sont des

boites métalliques ou circule de l’eau et qui sont situées au-dessus de la lèvre de la débiteuse.

Ils recueillent le rayonnement émis par les surfaces de la feuille ce qui les refroidit

fortement. Ces surfaces sont ainsi figées, ce qui feuille dans un puits d’étirage d’une hauteur de 7 m

environ.

Dans la partie supérieure du puits la feuille est découpée en plateaux. Les largeurs de la

feuille sont comprises entre 2 m et 2,5 m et les épaisseurs entre 0,5 et 10 mm. La vitesse d’étirage

en 2 mm est d’environ 90 m/h [3].

3-1-2- Le procédé Pittsburgh

Les feuilles de verre produites par le procédé Fourcault présentaient parfois des défauts de

surface dus au contact de la débiteuse. Le procédé développe a partir de 1925 par la société PPG

évite cet inconvénient en utilisant, pour stabiliser la feuille, a la place de la débiteuse, une barre

d’étirage (draw bar), pièce rectangulaire en réfractaire possédant une nervure longitudinale et

immergée sous environ 10 cm de verre. Des améliorations successives ont permis de produire par ce

procédé du verre de bonne qualité pour le vitrage, en largeur de 4 m. La vitesse d’étirage en 2 mm

était de 150 m/h.

Figure 8.procédé Pittsburgh pour le verre plat.


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3-1-3- Le procédé Libbey-Owens :

Ce procédé, qui a été mis au point par l'Américain Colburn chez Iibbey-Owens, opère

d'après une méthode un peu différente. La feuille de verre est étirée hors de la surface du verre

comme dans le procédé de Pittsburgh. Elle est étirée verticalement, mais à 65cm de hauteur elle est

pliée à l'horizontale sur un rouleau. Le verre est refroidi au-dessus de la débiteuse par des

refroidisseurs latéraux. Le rouleau plieur saisit le verre à l'endroit où il est meure plastique au point

de pouvoir être plié sans casser, mais aussi de façon que la surface ne puisse pas être endommagée

par le rouleau plieur. La bande de verre horizontale passe sur une série de rouleaux travers une

longue galerie de recuisson [3].

Figure 9.Procédé Libby_Owens

3-1-4- Le procédé « Float glass »

Dans le procédé « float » inventé par Sir Alastair Pilkington en 1952, un mélange de

matières premières est chargé en continu dans le four de fusion. À la sortie du four le verre forme

un ruban flottant à la surface de l’étain fondu. La surface de l’étain fondu est extrêmement lisse,

donnant au verre une planéité de surface parfaite. Le ruban de verre est ensuite lentement refroidi

jusqu’à complet durcissement et recuit. Le ruban ainsi obtenu est d’épaisseur régulière et présente

des surfaces parfaitement polies. Le ruban est ensuite découpé en plaques pour livraison.

Ce procédé, que BSN utilisait en France, donnait des carreaux de verre si « parfaits » que ce

fabricant lança en 1968 une OPA (ratée) sur son concurrent Saint-Gobain qui ne s'y intéressait pas

encore. Aujourd'hui, on ne trouve plus sur le marché que des vitres en « float glass » et ce sont

paradoxalement les vitres imparfaites obtenues par les procédés antérieurs qui semblent en gagner

un certain charme.


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3-1-4-1- Description de la ligne de production du "float glass"

Préparation de la composition

Ce système concerne les matières premières déjà traitées, il est équipés d’installations de

levage, pesage et mélange. L’extraction des poussières est située à l’endroit où la poussière est

habituellement produite. Des balances électroniques avec différentes échelles sont adaptées en

fonction des quantités nécessaires de matières premières, de calcin de l’usine ou extérieur. L’atelier

de composition est prévu pour fonctionner 24 heures sur 24.

Il est cependant dimensionné pour produire la quantité de batch nécessaire en 16 heures,

afin de permettre les opérations de maintenance. Des alimentations séparées seront prévues pour (a)

le sable, (b) la soude, (c) la dolomie et le calcaire pour empêcher que les matières premières ne se

contaminent entre elles.

Les matières premières seront stockées dans les silos de l’atelier de composition et des

installations de stockage qui sont prévus pour une capacité de fonctionnement de 72 heures

minimum avec un stockage complémentaire au sol d’un mois pour la soude, le sulfate et les autres

matériaux.

Figure 10. Dosage en matière première pour le verre plat.

Traitement de sable

Ce poste en option peut être nécessaire en fonction des caractéristiques réelles des matières

premières disponibles dans l’usine. Il comprendrait différentes fonctions comme le broyage, le

traitement, le séchage, la séparation magnétique et l’homogénéisation du sable. Dans tous les cas,

l’installation de traitement de sable doit être définie après analyse du sable et des matières

premières disponibles pour le projet.


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Le four de fusion

Construit en briques réfractaires, un four type contient jusqu’à 2000 tonnes de verre fondu à

1550°C. La température est contrôlée en permanence. Un des systèmes les plus employés à ce jour

est le pyromètre. Exemple d'installation La fusion du verre pour la ligne « float » sera assurée par

un four à régénérateurs à brûleurs transversaux. Le verre fondu est affiné et homogénéisé. Le verre

est ensuite conditionné à température contrôlée avant d’arriver au bain d’étain.

Pour assurer un bon fonctionnement, le four est équipé de dispositifs automatiques de

mesure, enregistrement et régulation de pression et de niveau de verre, d’un système de minuterie et

d’inversion automatique de flamme, d’instruments de mesure, enregistrement et régulation de

température en différents endroits du four et d’un dispositif de régulation de pression de gaz naturel.

Les fumées sont évacuées par tirage naturel par une cheminée. Pour protéger l’environnement, les

fumées passeront par un équipement de dépollution à tirage forcé conçu en fonction de la

réglementation locale.

Bain d'étain

Le processus de formage consiste à étirer ou à comprimer mécaniquement la pâte de verre

tout en la solidifiant par refroidissement contrôlé.

En absence de toute contrainte extérieure, le verre s'étalerait en formant sur l'étain liquide

un ruban d'épaisseur naturelle de 6,88 mm. Le verre, à une température de 1100°C, se déverse

régulièrement sur l'étain en fusion grâce à un système de régulation de débit appelé tweel. La

densité spécifique du verre lui permet de flotter sur l'étain d'où la terminologie "float" couramment

employé pour décrire le procédé. Le verre et l'étain ne réagissent pas entre eux et restent séparés,

leur résistance mutuelle à l'échelle moléculaire rendant le verre parfaitement lisse.

Le bain est un système étanche avec une atmosphère contrôlée composée d'azote et

d'hydrogène. Il se compose d'une structure en acier, d'une enveloppe métallique supérieure, d'une

enveloppe métallique inférieure protégée de l'étain par des réfractaires spéciaux et de systèmes de

contrôle de la température du ruban de verre et du formage. Le bain mesure environ 60 m de long

sur 8m de large avec une vitesse de défilement pouvant atteindre jusqu'à 25 m/min. Le bain

contient près de 200 tonnes d'étain pur, fondu à une température moyenne de 800 ° C.

Les dimensions du ruban de verre sont obtenues par l'intermédiaire de forces de traction ou

de compression effectuées par des machines appelées top rolls, situées sur chaque côté du bain.


21

Un programme de contrôle détermine les réglages optimaux du process. L'épaisseur du verre peut

varier de 0,55 à 25 mm.

Des résistances électriques, regroupées en zones de chauffage, permettent une régulation

fine de la température du verre qui est progressivement réduite, lorsque le verre a atteint les

caractéristiques dimensionnelles désirées. Le ruban est alors parfaitement plat et ses faces sont

parallèles.

A ce stade, les revêtements réflectifs, Low-E, pour contrôle solaire, autonettoyants ou

photovoltaïque peuvent être déposés en utilisant le système de dépôts chimiques en phase vapeur

par pyrolyse. Le verre est ensuite prêt à être refroidi.

Étenderie :

Pour relâcher les contraintes physiques, le ruban est soumis à un traitement thermique dans

un long four de recuisson appelé étenderie. Les températures sont étroitement contrôlées dans le

sens longitudinal et transversal du ruban.

L’étenderie sert à recuire et à refroidir le verre. L’étenderie fermée est en construction

métallique, elle refroidit le verre par rayonnement et le recuit selon les exigences de la spécification

de production. Après recuisson, le verre est refroidi rapidement de manière contrôlée par un

refroidissement adapté et un système de chauffage.

Le verre sera transporté dans l’étenderie sur un convoyeur à rouleaux dont l’écartement

permet le supportage du ruban en toute sécurité. La commande est transmise mécaniquement aux

rouleaux par le système d’entraînement. Un système d’entraînement de secours doit être disponible

pour prendre le relais en cas de panne électrique ou mécanique du système de commande. Tous les

rouleaux sont démontables pendant le fonctionnement. Pour assurer un fonctionnement non-stop

des rouleaux, une commande de secours basse vitesse (pony) doit aussi être intégrée au système de

commande de l’étenderie de même que le dispositif pour faire fonctionner l’entraînement à la main.

La découpe

Le ruban de verre ainsi produit est refroidi à l'air libre, puis est contrôlé de manière

permanente (épaisseur, qualité optique, défauts, etc.), coupé en plateaux de superficie standard et «

débordé » automatiquement (enlèvement des bords). Les plaques ainsi produites sont placées

verticalement sur des chevalets, grâce à des releveuses à ventouses.


22

Le lavage :

Après la découpe, les plaques de verre sont généralement lavées afin d’éliminer les

impuretés organiques et inorganiques qui sont éventuellement présentes à la surface. Les substances

organiques se déposent sur le verre par contact avec les différentes parties de la chaîne de

production (par exemple avec les ventouses en caoutchouc utilisées pour leur déplacement). Ces

substances altèrent les propriétés de surface du verre en particulier la mouillabilité.

Le stockage :

La phase de stockage est la plus délicate de la «vie» d’un float. Les différentes plaques de

verre sont séparées à l’aide de poudres intercalaires (ex. leucite) puis emballées et laissées en attente

avant la commercialisation. Dans la majorité des cas les magasins ne sont pas pourvus d’un système

de contrôle de la température et de l’humidité relative. Ainsi les verres sont soumis à des cycles de

condensation évaporation qui provoquent une détérioration des deux plaques adjacentes sur les

hydroxydes formés à partir de Na+ et Ca2+). Parfois l’altération est très importante car le rapport

surface de verre/solution altérante est élevée des piqûres se forment.

Chapitre II description de MFG

23

Description de l’unité MFG :

Mediterranean float glass , filiale du groupe CEVITAL conçue pour la fabrication du verre

plat, installée à Larbaa à 30 km de Blida sur une surface de 10 hectares avec une ligne de longueur

de 630 m et une largeur de 39 m .375 travailleurs dont 95 cadres veillent sur le bon déroulement de

travail dans l’unité afin d’assurer la production journalière de 600 t/j .

La première feuille du verre a vu le jour le 22/08/2007, depuis MFG maintient sa position

de premier fournisseur du verre plat en Algérie avec une réalisation dépassent 104% De l’objectif

visé, en laps de 3 mois, MFG a triplé ses exportation en Europe avec 12220tonnes, contre 4428

tonnes au début 2008.

MFG adopte une système QHSE ce qui lui a permis d’être certifiée en iso9001 version

2000, iso 14001et dans le référentiel OHSAS18001, cela lui permet d’être compétitive sur le

marché international.

Figure13.Distribution de personnel formé en niveau MFG

2-Les différents ateliers de la ligne :

La ligne de la production du float glass comporte les ateliers suivants :

2-1- Atelier de composition :

Cet atelier renferme les hangars de stockage des matières premières, l’acheminement de ces

dernières se fait par des chargeurs et des transporteurs à godets vers les silos qui assurent

l’alimentation en continu des doseurs. Le mélange ainsi dosé est envoyé vers le malaxeur ou ce fait

la première homogénéisation en présence d’eau .Le mélange homogénéisé est transporté vers le four

à l’aide d’un transporteur à bondes.


24

Afin d’éliminer les éléments minéraux non désirables, nuisibles pour la composition, la

matière première subit après le malaxage un contrôle magnétique pour séparer les matériaux ferreux

et à l’aide d’un dispositif spécial pour les éléments non ferreux.

La figure suivant représente le schéma simplifié de l’atelier de composition :

Figure 114.schématisation de l'atelier d'alimentation

Le mélange de matières premières est pesé électroniquement avec une précision de 0,1%,

puis mélangé et humidifié. Il forme un mélange vitrifiable auquel on ajoute du calcin avant de le

charger directement dans le four de fusion. L'ajout de calcin permet d'abaisser la température de

fusion du mélange.

La consommation journalière en tonne par jour des matières premières au niveau de MFG

est comme suite :

Tableau 3. Consommation journalière en matières premières à MFG

MP sable

Carbonates

de soude

dolomie calcaire feldspath Sulfates

de

soude

charbon Oxyde

de fer

calcin

Tonne/j 310 120 80 30 25 6 0.4 0.25 150


25

2-2- Atelier de fusion :

Comporte un four à 6 brûleurs transversaux à chambre de régénération, long de 62.8 m et

large de 30m avec une quantité de verre en fusion de 2050 tonnes, la température du four est de

l’ordre de 1550°c .la consommation énergétique est de 120000 m3 /j de gaz naturel.

L’alimentation des fours en mélange vitrifiable est assurée par4 enfourneuses qui sont

programmées de façon à ce que le niveau du verre fondu soit toujours stable.

Figure15.Coupe latérale d’un four à régénérateurs

Le four est constitué de 3 zones essentielles qui sont les suivantes :

• l’élaboration :

Le mélange doit être transformé en un liquide dépourvu d’inclusions cristallines. Au alentour

de 1000°C, les premières réactions de fusion et de décomposition commencent à se produire mais il

faut monter entre 1200 et 1500°C pour s’assurer que les matières moins fusibles puissent réagir

avec les matières en fusion et être digérées par la phase liquide.

• l’affinage :

Dans le mélange vitrifiable en fusion, il est nécessaire d’expulser les bulles de gaz provenant

des différentes réactions chimiques mais également de l’air situé entre les matières premières et de

l’évaporation de l’eau.


26

Cette étape nécessite la présence d’affinants dans le mélange de départ (voir page 2), une

élévation de la température (pour diminuer la viscosité du verre fondu) et parfois une agitation

mécanique ou l’insufflation d’air.

• le conditionnement :

Après la fusion et l’affinage, le verre doit être homogénéisé chimiquement et thermiquement.

Les variations de composition causent des défauts permanents lors de la production tandis que les

variations de températures occasionnent des problèmes lors de l’étape de formage du verre.

Il existe plusieurs catégories de fours et il se peut qu’une verrerie regroupe quelques-uns de ces

systèmes de fusion affectés à la production de différents produits verriers.

Pour obtenir des températures suffisamment élevées dans les fours, il est impératif de

préchauffer l’air de combustion. Pour réaliser des économies d’énergie, les gaz chauds issus des

fours passent par des systèmes de régénération ou de récupération thermique.

• Système de régénération :

Les gaz brûlés passent dans une chambre (régénérateur) dotée d’un garnissage réfractaire

absorbant la chaleur. Il y a deux régénérateurs par four. Le chauffage des chambres n’a lieu que

d’un seul côté à la fois. Toutes les 20 minutes, la combustion est inversée et l’air (comburant) est

passé à travers la chambre précédemment chauffée par les gaz brûlés. Ce système permet d’obtenir

des températures de préchauffage de 1400°C.

• Système de récupération :

Des échangeurs thermiques (récupérateurs) assurent le préchauffage continu de l’air

(comburant) par la circulation des gaz brûlés. Les températures de préchauffage atteintes sont

limitées aux alentours de 800°C. Ce système est principalement utilisé lorsque la taille de

l’exploitation est trop faible pour pouvoir rendre un système de régénération économiquement

rentable. Les consommations énergétiques dépendent de la capacité de production des fours et de la

qualité du verre à produire.

L’énergie nécessaire pour la fusion d’un kilogramme de verre varie entre 3700 et 6000 kJ

(pour des températures de fusion qui varient entre 1200°C et 1500°C).


27

2-3- Bain d’étain :

Une installation de 60m de longueur et de 7,6m de largeur qui contient environ 200t d’étain

fondu pour une duré de vie estimée de 10ans, l’atmosphère de bain est composée essentiellement de

l’azote et l’hydrogène avec des pressions bien définies dont la consommation est respectivement

1600m3/h et 130m3/h.

Le verre affiné arrive du four par le canal et il est déversé sur l’étain fondu dans le bain

« float » à une température variant de 1100°C pour du verre clair à plus de 1170°C pour du verre

teinté. Le débit est régulé automatiquement de manière à maintenir la largeur et l’épaisseur du

ruban. Le bain « float » est chauffé électriquement.

Le verre flotte sur un bain d’étain fondu. Des rouleaux dentés, appelés « top-rollers »,

accrochent le verre encore liquide sur les rives du ruban et font avancer le verre. L'épaisseur

naturelle du verre qui s'étale sur une table est de 5 à 6 mm. Si l'on veut obtenir un ruban d'une

épaisseur inférieure à 5 mm, on étire le verre et les top-rollers ont un angle, dit « positif ». Si l'on

veut une épaisseur supérieure à 5 mm, et ce jusqu'à 12 mm, on repousse le verre et les top-rollers

ont un angle dit « négatif ». Plus on s'écarte des 5 mm d'épaisseur, plus il faut ajouter de top-rollers

pour donner l'épaisseur souhaitée. Certains bains d'étain possèdent plus de 20 top-rollers pour faire

du verre de 0,5 mm d'épaisseur.

Un contrôle continu des paramètres du bain d’étain tel que la pression des gaz à l’intérieur

(N2, H2), les températures d’entrée et de sortie du verre et une bonne étanchéité est nécessaire pour

la bonne maîtrise du ruban du verre afin d’assurer un produit de qualité et éviter tout incident

probable.

Figure 16. Vue intérieure du bain d'étain


28

2-4- Etenderie :

Afin d’éviter la formation de défauts mécaniques dus aux tensions subies par le verre

pendant le refroidissement, le ruban de verre est soumis au processus d’annealing. Il s’agit d’un

traitement thermique effectué à l’intérieur d’un tunnel long d’environ 100 m. Le verre est introduit à

600°C ainsi, il refroidit sous contrôle jusqu'à la température ambiante.

Plusieurs ventilateurs et équipements de chauffage ainsi des moyens de mesures de

températures sont installés pour le contrôle strict de régime de refroidissement.

Pendant le temps de résidence du verre dans l’étenderie on introduit, afin d’améliorer ses

caractéristiques, du SO2 gazeux. Ce procédé provoque un échange ionique en sub-surface et conduit

à la formation de sulfates de sodium, selon les réactions suivantes :

en présence de vapeur d’eau :

2Na+ (verre) + SO2 + ½ O2 + H2O → 2H+ (verre) + Na2SO4

en atmosphère sèche :

Na2O + SO2 + ½ O2 → Na2SO4

Ce traitement sert à augmenter la durabilité du verre en milieu acide ou neutre. Ceci crée à la

surface du verre une couche appauvrie en sodium et relativement enrichie en SiO2 et donc plus

résistante.

.

Convection non forcée Convection forcée

Figure17. Différentes zones de l’étenderie et les régimes de recuisons


29

2-5- La découpe :

Après le travail dans le bout chaud on procède au travail au bout froid au niveau de l’atelier

de la découpe, installation longue de159.78m et large de 4.80m.la largeur du ruban du verre peut

atteindre 4.5m max (la longueur nette est de 4.27m) ; le ruban se déplace avec une vitesse maximale

de 90m/min, il subit une inspection automatique à laide des dispositifs spéciale pour :

* la détection des défauts du produit fini.

* la détection des contraintes dans le produit fini.

Des trémies et des broyeurs sont prévus pour le broyage des rebus découpés et la

récupération du calcin, ce dernier et acheminé vers le silo de stockage ; il sera réutilisé plus tard

dans la composition du mélange vitrifiable.

Le verre est découpé selon 3 formats qui sont les suivants :

PLF 3210x6000mm (international)

DLF 2250x 3210 (local)

DDLF: 1605x 2100 (local), 1605x 2400 (local).

Figure18.Le verre passe sous des systèmes automatiques de découpe. La largeur est ajustée avant

que les plaques ne soient découpées en différentes longueurs.

Les plaques de verre reçoivent un traitement leur permettant d'être stockées sans dommage avant

d'être levées et puis empilées. Les plaques de verre déposées sur des chevalets sont alors transférées

vers l'entrepôt de stockage ou pour expédition au client.


30

Figure 19. Moyen de manutention dans l’atelier de stockage

2-6- Atelier de contrôle de qualité :

On y effectue les différents tests afin de détecter, classer et dimensionner les différents défauts, on

vérifie ainsi la conformité du verre aux normes de consommation .au niveau de MFG, on effectue

les tests suivants :

a) Le test zébra : pour déterminer l’angle de déformation optique (la norme internationale

est de 45°).

b) Le test de la lumière latérale : l’échantillon est latéralement traversé par une lumière

blanche, ça permet de bien visualiser les défauts.

c) Le test de pupitre lumineux : la surface de l’échantillon est exposée à la lumière

blanche afin de localisée les défauts.

Pour une vérification approfondie, une éxamination de l’échantillon du verre est effectuée à l’aide

de microscope optique.

Des essais de découpage manuel sont effectués pour contrôler le comportement du verre vis-à-vis

l’outil coupant.

2-7- Installations annexes :

a) Station de traitement d’eau : l’eau utilisée pour le refroidissement des

équipements et installation doit être traitée, afin d’éliminer le calcaire qui après dépôt crée un

étranglement de la tuyauterie, ce qui nuis au bon fonctionnement de l’équipement.

b) Station d’énergie : assure l’alimentation des différents équipements par leur besoin en

hydrogène, azote, gaz naturel et GPL.

Chapitre III le verre à couches

31

1. Les verres à couches

1.1 - Introduction

Par définition, les ‘verres à couches’ sont des produits verriers de types industriels (très

généralement des produits élaborés à partir de verre ‘float’) qui sont revêtus d’une couche mince, en

général composée d’oxydes métalliques. L’épaisseur de cette couche est de l’ordre de 10

nanomètres à 800 nanomètres (0,8 µm). Pour optimiser les performances, la couche peut être

constituée d’un empilement de plusieurs sous-couches.

Le rôle de cette couche est de modifier le comportement optique (exemples : les vitrages

antireflet, les vitrages réfléchissants utilisés pour réduire le facteur solaire), chimique (exemples :

les vitrages ‘autonettoyants’, vitres hydrophobes), électrique (dépôts conducteur électrique et

transparent) ou encore mécanique (exemple : les traitements contre les rayures).

Bien que ce travail concerne les verres à couches dont la couche est inférieure à 1

micromètre, certains vitrages fonctionnels comportant des couches plus épaisses comme les vitrages

anti-incendie, les vitrages électrochromes etc.… sont présentés. Il est possible d’améliorer les

propriétés acoustique et mécanique du verre (exemple : les vitrages feuilletés utilisés pour la

sécurité, l’anti vandalisme, la sécurité d’exploitation comme les planchers en verre, les parois

d’aquarium les hublots de piscine) [9].

1.2 - Les fonctions d’un verre à couches

1.2.1-Les fonctions optiques

La couche modifie le comportement optique du verre, dans le domaine visible et/ou dans le

domaine de l’infrarouge. Les applications optiques d’un verre à couche intéressent d’une part les

vitrages utilisés dans le domaine de l’architecture et d’autre part le traitement du coefficient de

réflexion.

A- Domaine de l’architecture

En architecture, il faut tenir compte de la répartition énergétique (ou spectrale) de l’énergie

solaire arrivant sur terre. La puissance du rayonnement solaire sur terre est constituée de 43% de

rayonnement Infrarouge, de 3 % de rayonnement Ultraviolet, le reste (54 %) étant de la lumière

visible. Une application importante est apportée par une modification du comportement vis-à-vis du

rayonnement solaire en contrôlant d’une part l’énergie solaire transmise et d’autre part la

luminosité, conduisant ainsi à une économie de conditionnement d’air (en été) et de chauffage (en

hiver).


32

Les caractéristiques d’un vitrage sont principalement :

- le facteur solaire (noté g ou FS et variant de 0 à 1)

- la transmission lumineuse (notée TL et variant de 0 à 1)

- le facteur U qui caractérise les échanges thermiques à travers le vitrage (W/m2. °C).

- l’émissivité (notée e et variant de 0 à1)

Des couches sont capables de modifier les quantités g, e, TL et U, mais en général de façon

non indépendante. Le secteur de l’automobile fait aussi maintenant de plus en plus appel au contrôle

solaire, d’autant plus que dans ce domaine, les vitrages ont des surfaces de plus en plus grandes et

de moins en moins verticales (exemple : les toits vitrés). Outre ces applications pratiques, le

traitement de surface peut présenter un intérêt esthétique et de décoration (par exemple coloration

par effet de réflexion interférentielle provoquée par un dépôt transparent d’indice élevé comme

l’oxyde de titane TiO2) [9].

B- Le traitement du coefficient de réflexion

Il est souvent intéressant de contrôler le coefficient de réflexion sur un domaine spectral

étendu, comme la totalité du spectre visible par exemple. Des dépôts multicouches diélectriques

transparents d’indice de réfraction et d’épaisseurs judicieusement choisis permettent d’obtenir des

vitrages anti-réfléchissant, semi-réfléchissant ou super-réfléchissant. Les applications se trouvent

dans le secteur du bâtiment et de l’instrumentation optique.

1.2.2-Les fonctions chimiques

Il s’agit essentiellement de créer des vitres à propriétés hydrophobes ou au contraire

hydrophiles. Un exemple est donné par des verres à couches autonettoyantes à base d’oxyde de

titane.

1.2.3-Les fonctions électriques

Le but est d’obtenir un dépôt transparent à la lumière visible mais conducteur de l’électricité.

Les applications sont l’élimination de charges électrostatiques, mais surtout concernent la

réalisation de vitrages ‘intelligents’ de type électrochromes. Certains vitrages ‘dégivrants’ mettent à

profit une fine couche transparente mais conductrice de l’électricité. L’exemple typique d’une telle

couche est l’oxyde mixte d’indium et d’étain appelé ITO.

1.2.4-Les fonctions multiples

Souvent, une combinaison de ces différentes propriétés est recherchée. Un exemple est

donné par les doubles vitrages autonettoyants et à isolation thermique renforcée.


33

C’est le cas du vitrage ‘Cool-Lite SKN 154 BioClean’ produit par Saint-Gobain Glass : ce

vitrage comporte une couche à faible émissivité déposée en face 2 et un dépôt autonettoyant en face

1.

1.3 - Structure d’un verre à couches

Pour assurer de bonnes propriétés et une bonne durabilité, il est souvent indispensable de

déposer :

- une sous-couche assurant l’adhérence sur le verre.

- une couche (mais plus généralement plusieurs couches) pour donner au verre les caractéristiques

fonctionnelles recherchées.

- optionnellement, une couche de protection chimique et mécanique (dans le cas de verres à faible

émissivité, cette dernière couche peut être du nitrure de silicium) [9].

1.4 - Nature de couches, procédées de dépôt

Diverses techniques existent pour apporter de la matière sur une surface. Nous décrirons les

principales utilisées. On peut les classer de différentes manières (e.g.physiques ou chimiques), mais

nous préférons les classer selon la phase par laquelle le matériau transite lors du dépôt : soit par un

gaz ionisé (plasma), soit en phase vapeur, soit en phase liquide. Le choix d’un procédé dépend de

plusieurs facteurs : le matériau à déposer, la nature du substrat, l’application désiré.

1.4.1- Pulvérisation cathodique

Ce procédé tend à se substituer progressivement à l’évaporation dès lors que l’on souhaite

des dépôts de grande surface. En effet pour des raisons strictement géométriques il est évident

qu'une source d'évaporation quasi ponctuelle peut être considérée comme un centre de symétrie vis

a vis des atomes évapores. En d'autres termes le nombre d'atomes reçus à une distance donnée de la

source sera sensiblement inversement proportionnel à la carre de la distance. II en résulte que le

dépôt présentera une épaisseur homogène s'il est effectue sur une surface sphérique dont le centre

est constitue par la source d'évaporation. Comme en pratique les substrats sont généralement plans,

on ne pourra les assimiler qu'au plan tangent a la sphère et de toute évidence l’épaisseur du dépôt ne

sera pas identique en tout point. On est donne contraint à limiter fortement la surface utile du

substrat, ou a le placer très loin de la source ce qui entraine alors d'autres difficultés (nécessite

d'enceinte plus grande donne système de pompage beaucoup plus cher, temps opératoire plus

long...) [8].


34

Figure 20. Principe de dépôt par pulvérisation cathodique.

1.4.1.1- Mécanisme de la pulvérisation

On dispose a faible distance de deux plans parallèles, 1'un support de la source de matériau

(cible), 1'autre du réceptacle du dépôt. On procède au bombardement de la source par des ions

connus (argon le plus souvent) accélères sous 1kV environ, ces ions vont arracher mécaniquement

des atomes de la source et ceux-ci vont être projetés vers le porte substrat refroidi et s'y déposer. La

source plane pouvant être de très grande surface on peut théoriquement effectuer des dépôts

relativement homogènes sur une grande surface [8].

Les dépôts métalliques sont aisés à produire par pulvérisation cathodique, dans le cas de

matériaux diélectriques, et donc non conducteurs, il y a une difficulté car les ions ne peuvent se

décharger sur la cathode, ce qui entraine la constitution d'une charge d'espace qui très vite bloque la

progression des ions vers la cathode et interrompt, de facto, le processus de pulvérisation. On trouve

une parade en interposant une grille soumise a un potentiel module a haute fréquence (27 MHz) ce

qui augmente sensiblement la complexité et le cout du dispositif. La diode plane représentée ci-

dessus possède une cathode de diamètre variant entre 10 et 30 cm tandis que la distance cathode

anode se situe entre 5 et 10 cm [8].

1.4.2-La pulvérisation magnétron :

1.4.2.1-Effet magnétron :

Une décharge diode DC est entretenue par les électrons secondaires éjectés de la cathode

sous l'effet du bombardement ionique. Dans ce cas les électrons qui ne rencontrent pas de molécules

de gaz s'éloignent perpendiculairement à la cathode et sont captés par l'anode.


35

Si on superpose au champ électrique un champ magnétique B, perpendiculairement à celui

ci, les trajectoires électroniques s'enroulent autour des lignes de champ magnétique, augmentant

considérablement les chances d'ioniser une molécule de gaz au voisinage de la cathode [9].

Figur21.Système diode et système magnétron

1.4.2.2- Principe :

La décharge luminescente est concentrée dans la zone ou le champ magnétique est le plus

intense ; il se forme donc une zone luminescente circulaire de forme annulaire. Ceci occasionne,

après plusieurs heures de fonctionnement, une profonde déflexion à l'aplomb de l'anneau

luminescent. La cathode magnétron existe sous deux formes principales : planes (rectangulaires ou

rondes) et cylindriques.

Figure 22. Cathode à magnétron circulaire


36

1.4.2.3- Propriétés des cathodes magnétron :

La décharge magnétron se caractérise par un degré d'ionisation élevé. En effet, les électrons

possèdent un mouvement cycloïdal autour des lignes de champ, ceci augmente donc le taux de

collisions entre ces électrons et les molécules de gaz (Argon).

La pression de travail dans une enceinte équipée d'une cathode magnétron peut aller de

quelques 10-3 Torr à quelques 10-4 Torr. Les particules pulvérisées vont donc se déplacer en lignes

droites avec un minimum de collisions.

Dans des systèmes de pulvérisation magnétron, le champ magnétique augmente la densité du

plasma ce qui a pour conséquences une augmentation de la densité de courant sur la cathode. De

grands taux de pulvérisation ainsi qu'une diminution de la température du substrat peuvent être ainsi

obtenus [9].

Remarque :

L’unité de mesure légale de pression est le pascal (Pa). Les unités pratiques en mesure du

vide sont encore le torr (Torr) et le millibar (mbar). On a la correspondance :

1 Torr = 1,33 mbar = 133 Pa.

1.4.3-Dépôt par évaporation

1.4.3.1- Principe de l’évaporation thermique :

La technique la plus courante consiste à évaporer le matériau à déposer en le portant à une

température suffisante. Des que la température de liquéfaction est dépassée, il se trouve que la

pression de vapeur du matériau est sensiblement supérieure a celle résiduelle dans 1'enceinte. Alors

des atomes du matériau s'échappent et se propagent en ligne droite jusqu'a ce qu'ils rencontrent un

obstacle. Cette rencontre peut être le fait soit d'une surface solide (substrat, paroi de 1'enceinte) soit

d'un atome ou d'une molécule se déplaçant dans l’espace. Dans le cas de rencontre une surface, il y

aura séjour de 1'atome sur la surface avec échange d'énergie et si la surface est sensiblement plus

froide que l'atome il y a condensation définitive. La rencontre d'une molécule résiduelle se traduit

généralement par une déviation de l'atome d'évaporant II apparait donc qu'il est indispensable que la

pression dans 1'enceinte soit suffisamment faible pour que la probabilité de rencontre d'un atome

résiduel soit quasi nulle. Cela est réalise dans les systèmes courants des que la pression est de

1'ordre de 10" Torr car alors le libre parcours moyen d'un atome dans 1'enceinte est statistiquement

supérieur aux dimensions de celle-ci [8].


37

Figure 23. Creuset pour l'évaporation thermique.

La procédure de chauffage du matériau à évaporer peut être réalisée de plusieurs façons qui

seront choisies en général en fonction de critères de qualité du résultat attendu. On note

fréquemment l’emploi d’un Creuset chauffe par effet joule : limité aux matériaux s'évaporant a

relativement basse température (et en tout cas très en dessous du point de fusion du creuset qui sera

souvent en alumine frittée, parfois en graphite ou en oxyde de béryllium).

1.4.3.2- Principe de canon a électron

La seconde technique consiste à utiliser un canon à électrons à déflexion

électromagnétique : permettant en théorie 1'évaporation de tout matériau (même très réfractaire)

sans risque de pollution par le support. Notons que le faisceau d'électrons émis par un filament de

tungstène est focalise ponctuellement sur le sommet de l’échantillon à évaporer.

On condense ainsi jusqu'a 2kW de puissance sur un volume inferieur au mm3. Le matériau repose

en pratique sur une nacelle de cuivre refroidie par une circulation d'eau afin d'éviter qu'elle ne

s'évapore également. En jouant sur la tension d'accélération des électrons et sur le champ

magnétique, il est aise de déplacer le point d'impact du faisceau d'électrons. On dispose alors de la

possibilité de déposer plusieurs matériaux différents places dans des emplacements sépares sur la

nacelle [8].


38

Figure 24. Principe du canon à électron

Une troisième technique plus récente utilise un faisceau laser focalise sur le matériau à

évaporer .L'intérêt de cette technique est que, à 1'inverse des deux précédentes, la source principale

d'énergie thermique est externe au système à vide et ne provoque pas d'effets secondaires de

dégazage, dus au rayonnement d'un filament chauffant porté à 2000°C ou plus à 1'intérieur de

1'enceinte.

.4.4- Le dépôt de couche pyrolytique

1.4.4.1-Sur substrat chaud :

Cette technique permet le dépôt d'oxydes métalliques à très haute température (600°). Dès que

la matière est en contact avec le verre, elle se décompose sous l'action de la température en laissant sur

le verre une couche ayant la propriété recherchée. Trois solutions ou voies :

1.4.4.1.1) la pyrolyse en phase liquide :

Le liquide est pulvérisé sous forme d'un aérosol sur le verre (mélange de solvant et d'oxydes

métalliques). Cette méthode est connue sous le nom de SPRAY. Type de produit : Antélio, Stopsol,

Eclipse...

1.4.4.1.2) la pyrolyse en phase solide :

Elle consiste à projeter des poudres sur le verre par un gaz vecteur. Cette méthode est

baptisée POWDERING .Type de produits : Eko, Kglass...

1.4.4.1.3) la pyrolyse en phase gazeuse :

Un gaz est dirigé vers la surface du verre et à son contact se dissocie thermique en faisant

apparaître le matériau désiré. Cette méthode est connue sous le nom de CVD (Chemical Vapeur

Déposition).


39

C'est un produit qui, sous un aspect assez neutre, aura une plus forte TL. (Transmission

Lumineuse) que les produits fabriqués en phase liquide et avec un F.S. (Facteur Solaire) plus bas. Ces

formes de pyrolyse sont particulièrement adaptées à un procédé en continu sur ligne de fabrication de

verre flotté. Au-delà de deux couches superposées, le procédé devient difficile...

Par la pyrolyse, la couche s'intègre totalement à la surface du verre (par osmose), lui conférant

une grande résistance et une stabilité dans le temps. De ce fait, ces verres, classés A, sont utilisés en face

1 du vitrage.

1.4.4.2) Sur substrat froid

II est obtenu par enduction sur la surface du verre d'un liquide, d'une pâte, d'un gel, puis

chauffage. La matière se décompose et laisse une couche mince sur le verre. Ce procédé porte le nom de

DIPPING ou SILICOAT DE GUARDIAN (Sun-Guard Clear).

1.4.5) Procédé ‘sol-gel’ :

Un composé organo-métallique est déposé sur le substrat immergé dans une solution (‘dip

coating’). Le composé est transformé en oxyde métallique par traitement à haute température.

1.5- Tests, normalisation des verres à couches pour l’architecture

Les verres traités utilisés pour les vitrages en architecture doivent répondre à certains critères,

concernant en particulier :

la corrosion

l’abrasion et la résistance aux rayures

la résistance au brouillard salin

la résistance au rayonnement UV

la résistance à l’attaque chimique (solvants, agents nettoyants, bases et acides)

Une couche ‘dure’ est conforme à l’ensemble de ces tests.

2 - Classification des vitrages pour le bâtiment

2.1 - Le rôle des couches

Les couches déposées sur les vitrages ont plusieurs rôles : elles agissent sur la transmission

lumineuse, le contrôle solaire, le transfert thermique, l’émissivité. En outre, certaines couches

peuvent aussi avoir un rôle autonettoyant efficace. Ces caractéristiques sont traitées en détail dans

des chapitres séparés.


40

a. Le coefficient de transparence, ou de transmission lumineuse (TL ou t)

Ce coefficient de transparence caractérise la proportion de lumière visible (spectre de

longueurs d’onde comprises entre 0,38 µm et 0,78 µm) traversant le vitrage. Evidemment, le

coefficient TL est compris entre 0 (opacité complète) et 1 (transparence totale).

b. Le facteur solaire (FS ou g)

Le facteur solaire est la fraction de l’intensité du rayonnement solaire (visible et non visible)

traversant directement le vitrage ainsi que la fraction absorbée par le vitrage puis réémis vers

l’intérieur sous forme chaleur (Infrarouge).

c. Le facteur gain solaire

Le facteur de gain solaire est le rapport TL/g. Il définit la quantité de lumière visible

transmise par un vitrage sans apporter d’échauffement supplémentaire. Le choix de ce facteur est

important selon que le climat est froid ou chaud (voir vitrage à faible émissivité et à contrôle

solaire).

d. L’émissivité e

La chaleur est transmise par conduction, convection et radiation. Un vitrage simple non

traité perd une grande partie de ses propriétés d’isolation à cause de sa radiation d’énergie élevée.

Cette aptitude à rayonner la chaleur est caractérisée par l’émissivité e. L’émissivité la plus élevée

est celle d’un ‘corps noir’ pour lequel elle est égale à 1 alors que celle de l’argent métallique poli est

0,02.

L’émissivité d’un vitrage simple non traité est comprise entre 0,89 et 0,87. Un vitrage revêtu

d’une couche métallique suffisamment mince pour rester transparente à la lumière visible peut être

réduite jusqu’à 0,04.

e. Le coefficient de transfert thermique U

Le coefficient U est la mesure de déperdition (ou de gain) de chaleur à travers un vitrage

provoquée par une différence de température d’air entre l’extérieur et l’intérieur.

La valeur du coefficient U est le résultat non seulement de la nature des couches déposées

sur les feuilles de verre, mais aussi de la structure du vitrage.

Le coefficient U s’exprime en W/m2.K (watts par m2 et par degré). Le coefficient U d’un vitrage

simple est de l’ordre de 6 W/m2.K, mais peut descendre à 1,1 pour un triple vitrage à isolation

renforcée [7].


41

Des valeurs encore plus faibles sont obtenues si ces triples vitrages ont des espaces remplis

non pas d’air mais de gaz moins conducteurs de la chaleur comme l’argon ou encore mieux le

xénon. Il faut noter que l’inverse de U est la résistance thermique R=1/U.

Les coefficients TL, U, g et e ne peuvent pas toujours être choisis séparément. Un

compromis est souvent à trouver. Par exemple, dans un pays froid, il vaut mieux avoir un contrôle

solaire g élevé pour profiter du chauffage par le rayonnement solaire pendant la journée[7].

En outre, il existe des combinaisons plus ou moins complexe comme des vitrages autonettoyants, à

isolation thermique renforcée (à faible émissivité) et à contrôle solaire.

f. La couche autonettoyante

Un vitrage autonettoyant est un vitrage revêtu d’une couche mince d’oxyde de titane

(généralement pyrolytique) sous forme cristalline anatase. Ce revêtement a des propriétés semi-

conductrices et de superhydrophilicité. Ces deux propriétés permettent au revêtement placé en

extérieur d’assurer la dégradation photo catalytique (sous l’effet du rayonnement solaire) des

salissures déposées sur la vitre (car il est semi-conducteur) puis le lavage avec la pluie (car il est

super hydrophile).

2.2 - La classification des verres à couches dans le bâtiment

Selon la méthode de dépôt des couches, la durabilité et résistance mécanique de celles-ci

seront plus ou moins grandes. Par exemple, un dépôt pyrolytique CVD qui présente une plus grande

durabilité, pourra être placé en face externe. Par contre une face traitée par un dépôt obtenu par

évaporation sous vide ou pulvérisation cathodique PVD qui présente de meilleures performances

mais aussi une résistance moindre aux agressions devra être placé en face interne d’un double

vitrage. Un tel dépôt demande aussi d’être manipulé avec précaution. C’est pourquoi, en fonction de

la nature des dépôts, les vitrages pour bâtiments sont classés suivant différentes catégories [7].

2.3 - La numérotation des faces d’un vitrage simple ou multiple

Par convention, les faces d’un vitrage sont repérées comme l’indique la figure (25) pour un

vitrage simple et double. La face extérieure est toujours numérotée 1. Ainsi, pour un triple vitrage,

les faces seront numérotées de 1 à 6.

Figure 25. Numérotation des faces d’un vitrage à

couches.


42

3 - Traitement de surface hydrophobe

3.1 - Surface hydrophobe :

Définition :

Une surface hydrophobe a tendance à repousser les molécules d’eau. Ce caractère est

l’opposé de celui présenté par les surfaces hydrophiles (voir par exemple les verres ‘auto-

nettoyants’ qui sont rendus ‘hyper-hydrophiles’ grâce à un dépôt d’oxyde de titane sous forme

anatase).

Ainsi, une goutte d’eau à tendance à s’étaler sur une surface hydrophile, alors qu’elle a

tendance à rester sous forme de gouttelette sphérique au contact d’une surface hydrophobe comme

indiqué sur la figure (26).

Figure 26. Étalement d’un liquide sur une surface.

a) sur une surface totalement hydrophobe : le liquide est parfaitement non mouillant.

b) sur une surface totalement hydrophile : le liquide (l’eau) est parfaitement mouillant.

La nature nous donne des exemples de surfaces hydrophobes comme cette feuille où l’eau reste sous

forme de goutte sans s’étaler (27) :

Figure 27. La surface de cette feuille est de nature hydrophobe

La nature hydrophobe ou hydrophile d’une surface est caractérisée par la valeur de l’angle

de contact θ d’une goutte d’eau avec cette surface comme indiqué sur la figure 4. Si cet angle θ est

inférieur à 90°, il s’agit d’une surface hydrophile, tandis que si cet angle est supérieur à 90°, il s’agit


43

d’une surface hydrophobe. Si l’angle de contact est supérieur à 150°, la surface est qualifiée de

‘super-hydrophobe.

Figure 28. Étalement d’une goutte d’eau sur une surface

hydrophobe ou hydrophile.

Une surface propre de verre est plutôt hydrophile : l’eau au contact d’une vitre en verre a

tendance à former des gouttes qui s’étalent et adhérent au verre. Ceci pose un problème car, d’une

part la visibilité est réduite à travers la vitre, et d’autre part des traces sont laissées sur la vitre après

séchage et évaporation. Si la nature ‘super-hydrophile’ apportée par un dépôt d’oxyde de titane

présente un intérêt dans le cas des vitrages ‘autonettoyants’, il peut être intéressant de rendre la

surface du verre hydrophobe.

3.2 - Réalisation de surfaces de verre hydrophobes

Une surface peut être de nature hydrophobe et même ‘super-hydrophobe’ à cause de sa

texture. C’est le cas de la surface des feuilles de lotus. La nature hydrophobe et superhydrophobe

peut aussi être d’origine chimique. Nous traitons ici le cas des traitements Hydrophobes d’origine

chimique.

Une surface est hydrophobe si elle a tendance à repousser les molécules d’eau plutôt que de les

attirer. Les molécules d’eau étant des molécules polaires, la surface de nature hydrophobe doit être

de nature non polaire. Les molécules d’eau ont tendance à s’attirer entre elles alors qu’elles sont peu

attirées par le substrat. L’eau forme alors une gouttelette qui ne s étale pas sur le substrat de nature

hydrophobe.

Ainsi, pour que la surface d’un matériau soit rendue hydrophobe, il faut déposer une couche

de faible épaisseur d’un matériau non polaire : typiquement des silanes fluorés. Un brevet déposé

par Saint-Gobain Vitrage (Courbevoie) décrit le procédé (Brevet : United States Patent 5800918).

Tout d’abord le verre reçoit un premier dépôt appelé sous-couche. Ce dépôt minéral pyrolytique à

base d’oxydes (oxyde d’aluminium, oxyde d’étain …) de faible épaisseur (8 à 500 nanomètres, soit

0,008 à 0,500 millièmes de millimètres) est transparent [7].


44

Enfin, un film très mince (1 à 5 nanomètres) hydrophobe est déposé sur cette sous-couche :

il s’agit d’un fluorosilane La vitre en verre est ainsi rendue hydrophobe.

Si en outre la sous-couche est un oxyde dopé (oxyde d’étain dopé au fluor ou oxyde d’indium dopé

à l’étain appelé ITO par exemple), alors le vitrage est hydrophobe, antistatique et à faible

émissivité.

De tels vitrages sont commercialisés pour le bâtiment ainsi que pour les pare-brises

automobiles. Dans ce cas, la visibilité est très améliorée par temps de pluie diluvienne (d’après

documents Saint-Gobain) et on peut même envisager d’éviter l’emploi d’essuie-glaces.

Si les vitrages sont déjà installés, il est possible de les rendre hydrophobes en déposant un film par

spray. De tels produits sont commercialisés (exemple le produit de marque Rain-X), essentiellement

pour application sur pare-brises automobiles. La durabilité n’est pas infinie, mais de plusieurs

semaines. Là encore, la surface rendue hydrophobe pourrait éviter l’utilisation d’essuie- glaces, à

condition que la vitesse du véhicule soit suffisante (supérieure à 50 km/heure) pour chasser les

gouttelettes d’eau figure (29).

Figure 29. Gouttelettes d’eau sur un pare brise

ayant reçu un traitement par spray hydrophobe

(selon un document Rain-X).

3.3 - Aspects théoriques

Nous avons vu que la valeur de l’angle de contact θ entre une goutte d’eau et la surface du

verre caractérise la nature hydrophobe ou hydrophile. La valeur de cet angle est calculée en écrivant

l’équilibre au point triple de contact entre le liquide (ici l’eau), l’atmosphère gazeuse environnante

(ici l’air) et la surface du solide (ici le verre) comme indiqué sur la figure (30).

Figure 30.l’intersection des trois interfaces définit la ligne de

contact entre les trois phases (gaz/liquide/solide).

σSG, σLG, et σSL sont les tensions inter faciales solide/gaz,

liquide/gaz et solide/liquide, respectivement.


45

L’équilibre des forces au point triple donne la valeur de l’angle de contact (équation de

Young). Soit σSL, σSG et σLG les tensions interfaciales solide/liquide, solide/gaz et liquide/gaz,

respectivement.

L’unité de tension interfaciale est joule/m2 ou bien newton/m. La condition d’équilibre de

liquide à la surface du solide donne l’équation dite équation de Young :

Dans le cas du système téflon/eau, nous avons :

σSG = σ (téflon/air) = 0,019 N/m

σLG = σ (eau/air) = 0,073 N/m

σSL = σ (téflon/eau) = 0,050 N/m

L’application numérique de l’équation de Young donne, pour le système eau/téflon un angle

de contact voisin de 115°. Le téflon est bien un matériau hydrophobe.

Par contre, l’application numérique dans le cas du système eau/verre donnerait un angle de

contact très inférieur à 90°. La surface d’un verre propre est bien de tendance hydrophile.

4 - Dépôt transparent conducteur de l’électricité

4.1 - Nature du dépôt : ITO (oxyde d’étain et d’indium)

Le matériau ITO est un mélange d’oxydes d’indium et d’étain. La composition typique en

poids est 90% In2O3 et 10% SnO2. L’ITO est donc de l’oxyde d’indium où une faible fraction

d’atomes d’indium est remplacée par des atomes d’étain : on peut dire qu’il s’agit d’oxyde d’indium

dopé à l’étain.

Cet oxyde mixte est un semi conducteur de type n (la conduction électrique a lieu par

électrons) fortement ‘dégénéré’. Ce matériau est faiblement conducteur électronique, mais reste

transparent à la lumière visible à condition qu’il soit sous forme de couche mince.

Cet oxyde est meilleur conducteur de l’électricité que d’autres oxydes transparents comme

ZnO etc. … L’augmentation de la conductivité électrique par dopage entraîne une augmentation de

l’absorption de la lumière et la couche en ITO se colore en jaune [7].

Ce matériau est utilisé pour réaliser les électrodes transparentes dans les dispositifs

d’affichage à écrans plats (exemple : les écrans LCD) et les vitrages électrochromes.

4.2 - Elaboration du dépôt ITO

Les films en ITO sur plaques de verres sont obtenus par différentes techniques de dépôts et

généralement par pulvérisation (PVD par exemple).


46

4.3 – Utilisations

Les films ITO sont essentiellement utilisés comme électrodes transparentes pour les

afficheurs à écrans plats, écrans tactiles, cellules solaires, diodes électroluminesentes (LED)

organiques (OLED), certains revêtements antistatiques et écrans contre les radiations

électromagnétiques mais transparents à la lumière visible. Le développement des vitrages

électrochromes est rendu possible grâce à ce type d’électrodes transparentes déposées sur verre.

Ce type de dépôt peut aussi être utilisé comme système de dégivrage. Pour une application

pare brise en verre feuilleté, ce dépôt est placé sur la face 2 ou 3 (naturellement, le dépôt est réalisé

avant assemblage des deux feuilles de verre).

Des feuilles de verres revêtues de films ITO transparents conducteurs de l’électricité sont

commercialisées.

5 - Verres à couches pour protection contre les incendies

5.1 - Définition Le rôle d’un vitrage de protection contre les incendies est d’avoir une bonne transparence en

période normale (c’est à dire de se comporter comme un vitrage usuel) mais d’assurer

automatiquement une isolation thermique en cas d’incendie par action sur la conduction et le

rayonnement. Il existe plusieurs types de vitrages pour protection anti-feu :

- certains verres trempés et à couches réfléchissantes (surtout pour le rayonnement

Infrarouge).

- des verres à couches intumescentes.

Les verres dits ‘armés’ peuvent aussi assurer, mais dans une moindre mesure, un rôle de

protection anti-feu car les éclats de verre susceptibles de se former sous l’effet des flammes restent

reliés entre eux grâce aux fils métalliques. Ce chapitre concerne seulement les verres à couches.

5.2 - Structure et fonctionnement d’un verre à couches intumescentes

Un verre à couches de protection contre les incendies est constitué d’un empilement de

feuilles de verre (verre ‘float’, éventuellement trempé) séparées par des couches de gel de silicate

intumescent. L’épaisseur de ces couches de gel est de l’ordre du millimètre. En période normale, le

vitrage est aussi transparent qu’un vitrage usuel. Si un incendie se déclare dans une pièce d’un

immeuble, la partie exposée du vitrage a tendance à s’échauffer. La première couche de gel

intumescent se transforme en ‘mousse’, assurant ainsi automatiquement une isolation thermique en

réduisant le transfert de chaleur par conduction et rayonnement (voir figure 31). Si l’incendie

persiste, une deuxième couche intumescente se transforme, ce qui augmente l’efficacité de

l’isolation et ainsi de suite [7].


47

Figure 31. Structure et principe de

fonctionnement d’un vitrage anti-feu.

Dans cet exemple, le vitrage, initialement

transparent est constitué de 4 feuilles de

verre et de 3 couches intercalaires de gel

de silicate intumescent.

5.3 - Les verres à couches réfléchissantes

Une autre technique de protection anti-feu consiste à utiliser des vitrages de sécurité trempés

et comportant une couche réfléchissante (principalement dans l’Infrarouge). L’avantage de ces

vitrages est qu’ils restent transparents à la lumière visible, même soumis à des températures élevées.

L’inconvénient est une efficacité d’isolation thermique et de brise-feu moindre que les vitrages à

couches intumescentes.

5.4 - Les classes et normes pour vitrages de protection anti-incendie

1) Les vitrages résistant au feu : sont classés en trois catégories selon la norme EN13501-2. Le

classement est exprimé par une combinaison de lettres et de chiffres.

2) les vitrages de classe E : sont étanches aux flammes, aux fumées et aux gaz chauds. Ces

vitrages sont généralement constitués de verres borosilicates trempés.

3) les vitrages de classe EW : sont étanches aux flammes, aux fumées et aux gaz chauds ils sont

généralement constitués de feuilles de verre trempé revêtues de couches minces à faible émissivité

qui procurent une isolation thermique. Ce revêtement assure une limitation du rayonnement

thermique en dessous de la valeur nominative de 15 kW/m2.

4) les vitrages de classe EI : sont étanches aux flammes, aux fumées et aux gaz chauds et en

outre il constitue une barrière thermique opaque aux rayonnements ; ces vitrages sont constitués de

feuilles de verre séparées par des couches intumescentes (gels silicatés).

Les chiffres indiquent la durée en minutes pendant laquelle le vitrage peut assurer la protection

(exemples EI 30, EI 60, EW 120 …).


48

5.3 - Les verres à couches pour l’isolation thermique renforcée et le contrôle solaire

5.3.1-Le verre et le rayonnement solaire

5.3.1.1- Introduction et définitions L’énergie du rayonnement solaire reçu sur Terre est constituée approximativement de 43%

de lumière visible (longueurs d’onde comprises entre 400nm et 800nm), de 52% de rayonnement

Infrarouge (longueurs d’onde supérieures à 800nm) et de 5% d’Ultraviolet (longueurs d’onde

inférieures à 400nm).

Figure32.puissance spectrale du rayonnement reçu sur terre.

Pour réduire l’échauffement à l’intérieur des locaux (et des véhicules) dû au rayonnement

solaire (surtout pendant les mois d’été) on utilise depuis longtemps des vitrages absorbant

préférentiellement le rayonnement infrarouge (IR). C’est le cas des vitres ‘teintées’ utilisées dans le

domaine du bâtiment mais aussi des transports. L’absorption du rayonnement infrarouge par les

verres teintés est due aux ions Fe2+ dans la masse du verre, qui leur donne une coloration verdâtre.

L’inconvénient de cette méthode est que le verre absorbant le rayonnement s’échauffe et, puisque sa

température s’élève, réémet un rayonnement IR vers l’intérieur des locaux ce qui produit un

échauffement supplémentaire qui s’ajoute à celui produit par conduction et convection dans l’air du

local.

Une méthode plus efficace, qui a tendance à se généraliser, pour contrôler le transfert

d’énergie par rayonnement à travers un vitrage est d’utiliser des verres revêtus d’une couche à faible

émissivité.


49

Les dépôts à faible émissivité contribuent à l’isolation thermique déjà obtenue grâce à la

structure en doubles (et éventuellement triples) vitrages (diminution de la conduction et de la

convection).

C’est l’isolation thermique ‘renforcée’. Les caractéristiques d’un vitrage sont :

- le coefficient de transmission lumineuse (lumière visible) TL

- le facteur solaire g (ou FS)

- le coefficient de transmission énergétique U

- l’émissivité ε

La valeur du coefficient U est essentiellement déterminée par la structure du vitrage (double

ou triple, l’épaisseur des vitres et des espaces et la nature du gaz de remplissage). Les couches à

faible émissivité participent à l’isolation thermique.

1.1.2 - Les vitrages à faible émissivité (appelés aussi peu émissifs)

Dans le domaine du bâtiment, les couches à faible émissivité (réfléchissant

préférentiellement l’IR mais transparents dans le domaine visible) permettent d’éclairer une pièce

par la lumière du soleil tout en limitant l’échauffement en été ainsi que les déperditions d’énergie en

hiver.

Pour produire des vitres à faible émissivité, on utilise généralement des verres clairs (de type

‘float’) qui sont revêtus d’un dépôt (soit de type pyrolytique, soit par procédé PVD magnétron) d’un

métal ou d’un oxyde métallique qui réduit l’émissivité du verre, ainsi :

dans les climats froids, la chaleur générée par le rayonnement solaire et les appareils

de chauffage est gardée à l’intérieur.

dans les climats chauds, le transfert de chaleur depuis l’extérieur est réduit.

En contribuant à la réduction de la valeur du coefficient U (voir normes et standards), les

dépôts à faible émissivité participent aux économies d’énergie en réduisant la consommation de

chauffage en hiver et de climatisation en été. Pour optimiser les économies d’énergie, il faut tenir

compte non seulement de l’émissivité mais aussi du facteur solaire ainsi que du choix de la face du

vitrage (face 2 ou 3) qui doit recevoir la couche.

Les premiers vitrages à faible émissivité ont été réalisés plutôt pour minimiser les dépenses

de chauffage. Ils présentaient un facteur solaire g et un facteur de transmission lumineuse TL

élevés. Ces vitrages des vitrages à basse émissivité et haute transmission. Ils devaient donc

transmettre les longueurs d’onde du rayonnement solaire (visible et proche Infrarouge, voir figure

25) mais arrêter le rayonnement Infrarouge lointain à grandes longueurs d’onde produits par les

appareils de chauffage et autres corps terrestres (voir figure 25).


50

Actuellement, dans les immeubles dédiés au secteur d’activité tertiaire (bureaux) on

recherche à minimiser les gains solaires, tout en gardant une bonne transmission lumineuse et une

bonne isolation.

Les vitrages correspondant doivent donc transmettre la lumière visible, mais arrêter (donc

réfléchir) les Infrarouges du rayonnement solaire et les Infrarouges lointains (voir Figure 25). Il

s’agit de vitrages à faible émissivité sélectifs.

Si en outre la couche à faible émissivité sélective est déposée sur une vitre teintée ou si le

coefficient de réflexion de la couche est augmenté, on obtient un vitrage à basse émissivité sélectif

et à basse transmission.

1.1.3 - Mode de dépôt et performance

Partie du spectre à grande longueur d’onde (IR). Le dépôt à faible émissivité est un mince

film métallique ou d’oxyde métallique. Ce dépôt peut être de type pyrolytique (CVD) ou obtenu par

pulvérisation (PVD). Le dépôt pyrolytique est plus résistant, plus commode à manipuler et à

fabriquer. Le dépôt obtenu par pulvérisation est plus fragile mais présente de meilleures

performances. Le dépôt pyrolytique est appelé ‘couche dure’ et le dépôt PVD est appelé ‘couche

tendre’ ou encore ‘couche douce’. Par dépôt, on obtient facilement des valeurs d’émissivité faibles e

= 0,2 (et même 0,04 pour des couches ‘tendres’) alors que l’émissivité d’un verre usuel non traité

est de l’ordre de 0,8 à 0,9 (typiquement 0,89).

1.1.4 - Les produits industriels

Il existe deux familles de vitrage à faible émissivité (low-e glazing en anglais) :

Les verres à couches classe C

La couche est déposée sous vide (dépôt PVD magnétron). Il s’agit d’une couche dite

‘tendre’. Pour obtenir un vitrage de sécurité à faible émissivité, le verre est trempé mais la trempe

doit avoir lieu avant le dépôt de la couche afin de ne pas détériorer celle-ci.

Ces couches sont plus performantes en termes d’isolation thermique que les couches dites ‘dures’

mais elles doivent être utilisées uniquement en double vitrage car elles sont délicates.

Les verres à couches classe A

La couche est de type pyrolytique, déposée ‘en ligne’ à chaud pendant que la température du

verre est encore au voisinage de 600°C. Ce dépôt est appelé couche ‘dure’. Le verre peut être

trempé après le dépôt de la couche.

La trempe thermique de ces verres classe A de type pyrolytique est plus délicate que celle de

verres classiques non traités. En effet, la trempe thermique pose des problèmes engendrés par la

dissymétrie de rayonnement des deux faces (revêtue et non revêtue).


51

La chauffe symétrique nécessaire pour éviter une déformation du verre impose des

consignes de chauffage différenciées sur les deux faces.

De plus, pour ne pas dégrader la couche à faible émissivité, la température atteinte avant

refroidissement ne doit pas dépasser 600°C (contre près de 650°C pour la trempe thermique d’un

verre clair classique). Il en résulte qu’un refroidissement plus rapide s’impose pour obtenir un verre

trempé.

Tableau5 : récapitulatif des propriétés comparées des deux types de couches.

Revêtement ‘dur’ (pyrolytique) Revêtement ‘tendre’ (dépôt PVD)

Avantages Inconvénients

Avantages Inconvénients

Bonne durabilité,

manutention facile

valeur de U plus élevée.

transmission dans le

visible élevée.

fragile à la

manipulation,

précautions nécessaires

pendant la fabrication

du vitrage

la vitre traitée peut

être trempée

diffusion optique

légèrement plus visible.

bonne clarté, peu de

diffusion.

doit être utilisé

exclusivement en

double (ou triple)

NB : Si un vitrage est déjà en place sur un immeuble, il est encore possible d’obtenir un vitrage à

faible émissivité et réflecteurs en appliquant sur ce vitrage un film plastique mince revêtu d’une

couche à faible émissivité et à contrôle solaire. Ces films sont en principe utilisés seulement pour la

rénovation.

1.1.5 - Les économies d’énergie

Près de 25% de la facture énergétique (chauffage et rafraîchissement) sont dus à la mauvaise

qualité des vitrages en termes d’isolation thermique. L’efficacité des vitrages en ce qui concerne

l’énergie est caractérisée par le coefficient U et le coefficient g (appelé SHGC pour ‘Solar Heat

Gain Coefficient’ en anglais).

Le coefficient g est exprimé par un nombre compris entre 0 et 1. Un faible coefficient g

signifie moins d’apport de chaleur par le rayonnement solaire et plus d’effet d’ombrage.

Les performances d’un vitrage isolant sont caractérisées par sa valeur U. Le coefficient U, exprimé

en W/ (m2.K) (watts par m2 et par degré) représente le niveau de déperdition de chaleur. Ainsi la

valeur U d’un simple vitrage classique est 5,8.


52

La valeur U est 2,8 pour un double vitrage ordinaire et 1,9 pour un double vitrage avec

couche isolante à faible émissivité déposée sur la face 3 (figure 2).

La valeur de U est abaissée à 1,1 si la l’air entre les feuilles de verre est remplacée par de l’azote.

L’épaisseur totale d’un tel double vitrage est 24mm. La valeur de U pour un triple vitrage à faible

émissivité et rempli d’azote est aussi basse que 0,65 W/ (m2.K).

Figure 33. isolation thermique

comparées d’un simple vitrage,d’un

double vitrage ordinaire et d’un double

vitrage avec couches à faible emissivité

Dans un proche avenir, les vitrages isolants thermiques auront des performances encore

meilleures. Ainsi, un double vitrage isolant où la lame d’air intermédiaire est remplacée par du

‘vide’ pourrait avoir une valeur de U aussi basse que 0,6 W/ (m2.K) pour une épaisseur totale

n’excédant pas 8mm. Rappelons qu’un mur sans isolation particulière a une valeur de U typique de

l’ordre de 0,5 W/ (m2.K). Les meilleures performances actuelles en termes d’isolation thermique

sont obtenues avec des triples vitrages composés de feuilles de verre à dépôts peu émissifs et dont

les espaces sont remplis de gaz xénon. Si dans tous les cas on a intérêt à avoir une valeur de U la

plus faible possible, la valeur du facteur solaire g optimale dépend du climat. Pour les pays à climats

chauds (où la dépense d’énergie en climatisation est prépondérante), g doit être faible. Au contraire,

dans les pays à climat froid (où les dépenses de chauffage sont prépondérantes), une valeur de g est

préférable pour profiter de l’apport d’énergie solaire.

1.1.6 - La transmission spectrale

Pour caractériser de façon simple les performances optiques d’un vitrage, il est commode de

mesurer le coefficient de transmission spectrale, c’est à dire la transmission en fonction de la

longueur d’onde du rayonnement. La couche à faible émissivité permet de conserver une

transmission lumineuse TL élevée tout en réfléchissant sélectivement le rayonnement Infrarouge

(grandes longueurs d’onde). Le film plastique métallisé abaisse le coefficient de transmission

lumineuse TL jusqu’à 20%, mais surtout abaisse fortement de coefficient g en réfléchissant

fortement le rayonnement Infrarouge. Ce type de comportement est recherché pour les immeubles

administratifs (principalement pour les façades exposées au soleil).


53

- Aspects théoriques

- Notions sur les transferts thermiques

La distribution du rayonnement thermique sur une surface:

La puissance incidente, caractérisée par le flux G est absorbée, réfléchie ou transmise, ce qui s’écrit

(figure 35):

G = αG + ρG + τG

Avec: α = absorbance ; ρ = réflectivité ; τ = coefficient de transmission.

Naturellement, α + ρ + τ = 1.

Figure 34. bilan énergétique (les fflux s’expriment en W/m2 ).G est le flux de chaleur

incident en provenance de la source. J est le flux total envoyé par la surface vers la source.

1.2.2 - Le problème du transfert de chaleur à travers un vitrage

Soit à étudier le transfert de chaleur par rayonnement à travers un vitrage (figure 36) :

Figure 35. interaction entre vitrage

et rayonnement.

- venant de l’intérieur : le rayonnement

infra rouge émis par les objets présents et

les appareils de chauffage. Il s’agit

d’optimiser les échanges pour avoir :

- en été : le minimum de chaleur

provenant du rayonnement extérieur

- en hiver : limiter au maximum les pertes vers l’extérieur par rayonnement.


54

Des économies d’énergie sont réalisées si on place une lame mince transparente dans le

visible et réfléchissante dans l’IR. En effet on optimise les transferts radiatifs :

- en été, la lumière visible et surtout la chaleur sous forme de rayonnement IR provient de

l’extérieur (la lumière solaire).

- en hiver, la source de rayonnement IR est essentiellement située à l’intérieur.

Un vitrage à faible émissivité est donc réalisé par un dépôt métallique de faible épaisseur (de l’ordre

de 4 nm), transparent dans le visible mais réflecteur dans l’IR lointain.

2 - Les vitrages électrochromes

2.1 - Introduction

Les matériaux ou structures électrochromes ont la particularité de changer de propriétés

optiques (couleur et/ou transparence lumineuse) sous l’effet d’un champ électrique appliqué.

L’effet est réversible mais il peut être rémanent ou non rémanent. Nous montrons ici deux exemples

de vitrages électrochromes. Ces vitrages électrochromes fonctionnent sous basse tension et

consomment une puissance électrique extrêmement faible.

2.2 - Les vitrages ‘obturateurs’ à cristaux liquides

Description du fonctionnement

Le premier exemple est un vitrage apte à passer de l’état diffusant à l’état transparent sous

l’effet d’une tension alternative de quelques dizaines de volts. Le film actif est constitué d’une

matrice polymère contenant de fines gouttelettes de cristaux liquides (PDLC est l’acronyme de

Polymer Dispersed Liquid Crystal).

Ces vitrages, qui sont commercialisés, même avec des dimensions importantes (plusieurs

m2) sont plutôt utilisés pour les bureaux, hôtels, hôpitaux … Les applications domestiques sont

encore peu diffusées.

Au repos (lorsqu’aucune tension électrique n’est appliquée) le vitrage est translucide. Le

vitrage devient transparent si la tension électrique est appliquée. Il n’y a pas d’effet ‘mémoire’ : le

vitrage redevient translucide dès que la tension électrique est supprimée. Le temps de réponse est

très court (inférieur au 1/10ème de seconde).

Figure 36. Vitrage électrochrome ‘obturateur’ à

cristaux liquides.

A droite : le vitrage est opaque (pas de tension

électrique)

A gauche : le vitrage est transparent (tension électrique appliquée)


55

Réalisation et structure du vitrage obturateur

La réalisation est obtenue en plusieurs étapes. Un liquide comprenant un mélange de

molécules cristaux liquides, de molécules polymérisables (appelées monomères) et d’une petite

quantité de billes de silice de très petit diamètre (quelques dizaines de microns, en fait leur diamètre

correspond à l’épaisseur du film électrochrome à former) et appelées à jouer le rôle d’espaceurs est

versée sur la face d’une vitre rendue conductrice par un dépôt d’ITO (voir dépôt conducteur à base

d’oxyde d’étain et d’indium). Ensuite, une deuxième vitre dont la face interne est elle aussi rendue

conductrice par un dépôt d’ITO est appliquée sur le film liquide. On obtient ainsi une structure

‘sandwich’ schématisée sur la figure 37.

Figure 37. Structure d’un vitrage obturateur.

L’épaisseur du film est de quelques dizaines de micromètres.

Les ‘espaceurs’ (en silice) maintiennent l’épaisseur du film constante et évitent tout court-

circuit entre les deux électrodes transparentes. Ces espaceurs occupent un très petit volume du film

et sont pratiquement Invisibles. L’épaisseur totale du vitrage est de l’ordre de 3 millimètres. La

morphologie de type ‘microcomposite’ composée d’un film mince polymère renfermant de fines

gouttelettes (dont le diamètre est de l’ordre de la dizaine de micromètres) de cristaux liquides est

formée au moment de la polymérisation qui provoque une séparation de phase entre molécules de

cristaux liquides et molécules monomères formant le film polymère.

A l’intérieur d’une gouttelette, les molécules de cristaux liquides sont orientées les unes par

rapport aux autres. Une gouttelette est donc anisotrope du point de vue optique.

Cette anisotropie est caractérisée par la présence d’un axe optique correspondant à la

direction d’alignement des molécules de cristaux liquides dans la gouttelette. Au repos, les axes

optiques des gouttelettes sont distribués au hasard et la lumière est diffusée (le vitrage est opaque,

ou plutôt translucide) car le film PDLC n’est pas homogène (il diffuse la lumière à l’instar du

brouillard qui est constitué de fines gouttelettes d’eau en suspension dans l’air).


56

Sous l’effet d’un champ électrique, les axes optiques des gouttelettes sont alignés. Les

molécules de cristaux liquides sont choisies de telle façon que l’indice ordinaire no des gouttelettes

soit égal à l’indice de la matrice polymère.

Le film apparaît ‘homogène’ au rayonnement incident et la lumière n’est plus diffusée (le

vitrage devient transparent) comme indiqué sur la figure 3. Rappelons que l’effet est non rémanent :

le vitrage redevient translucide si la tension électrique est supprimée.

Figure 38. Principe de fonctionnement d’un vitrage ‘obturateur’.Sous l’effet d’une tension

électrique alternative de quelques volts, les molécules de cristaux liquides s’orientent.

2.3 - Le vitrage électrochrome ‘assombrissant’

2.3.1- Description du fonctionnement

Le deuxième exemple de vitrage électrochrome est basé sur le changement de transparence

d’une fine couche déposée entre deux feuilles de verres. Supposons le vitrage initialement

transparent.

L’application d’un courant électrique pendant un certain temps (quelques secondes à une

minute) rend le vitrage ‘sombre’. Si le courant électrique est supprimé, le vitrage reste sombre. Pour

rendre le vitrage à nouveau transparent, il suffit d’appliquer un courant électrique en sens inverse.

Contrairement au cas précédent, l’effet est rémanent. Le curant électrique appliqué n’est pas

alternatif mais continu.

Figure 39. vitrage électrochrome pour le bâtiment.

(A gauche : état ‘sombre’ A droite : état ‘clair’).


57

2.3.2- Applications

Ce type de vitrage trouve des applications dans le domaine du bâtiment, comme en témoigne

la figure (39), mais aussi dans le domaine du transport automobile (haut de gamme). Par exemple, le

toit en verre rétractable et repliable qui équipe la Ferrari Superamerica a été mis au point par Saint-

Gobain. Une commande au tableau de bord permet d’ajuster l’opacité sur 5 niveaux, depuis l’état

‘clair’ jusqu’à un état très ‘sombre’. Les rétroviseurs électrochromes qui équipent certains véhicules

et sensés éviter l’éblouissement par les véhicules suiveurs sont basés sur ce principe (ici, le

changement de transparence est commandé automatiquement par une cellule photoélectrique).

2.3.3- Réalisation et structure du vitrage assombrissant

La structure ressemble à la précédente : le film mince électrochrome est placé entre deux

feuilles de verre. La face interne de chaque feuille de verre est rendue conductrice par un dépôt

d’ITO. Ces films d’ITO servent d’électrodes transparentes. Le changement contrôlé de transparence

est basé sur le changement de composition d’un film mince (ici de l’oxyde de tungstène WO3)

entraînant un changement d’absorption optique figure (41).

Ce système est commandé par un courant continu. Initialement le film WO3 est transparent.

L’application d’une tension électrique entraîne la migration d’ions métalliques M+ vers la couche

d’oxyde de tungstène qui change de composition et devient absorbante (bleu foncé).

Si la tension est supprimée, le vitrage reste sombre : l’effet est rémanent. Pour revenir à l’état clair,

il suffit d’appliquer une tension électrique en sens opposé : l’effet est donc rémanent mais

réversible.

Figure 40.Principe de fonctionnement d’un verre electrechrome à transparence controlée.


58

3- Les vitrages thermochromes : vers un contrôle solaire ‘intelligent’

3.1 - Introduction : la thermochromie

Un matériau thermochrome, par définition, est un matériau dont les propriétés optiques

changent en fonction de la température et ceci de façon réversible ou quasi réversible.

Dans la vie courante, les matériaux thermochromes sont de type organique, comme par

exemple les cristaux liquides de type cholestérique ou des molécules formant des pigments appelés

‘leuco colorants’. Ces matériaux thermochromes sensibles vers la température ordinaire trouvent

des applications dans le domaine grand public. Un exemple est donné par des encres pour étiquettes

collées sur des bouteilles pour vérifier si la température optimale est atteinte ou encore des encres

pour étiquettes de boîtes de médicaments pour vérifier que la température de conservation est

suffisamment basse.

Une application en voie de développement des matériaux thermochromes est l’application de

peinture sur la chaussée changeant de couleur vers 0°C (la peinture passe de l’état ‘transparent’ à

haute température mais prend une couleur rouge si la température devient inférieure à +1°C)

donnant ainsi l’alerte en cas de risque de verglas.Les applications des matériaux thermochromes ne

se limitent pas aux basses températures.Citons l’indicateur de sécurité pour température élevée

d’appareil de chauffage, certaines parties de moteurs ou encore l’indicateur de température optimale

atteinte pour cuisson (exemple : thermospot).

3.2 - Les dépôts et couches thermochromes pour vitrages

L’effet thermochrome souhaité pour une application vitrage est le passage réversible d’un

état transparent vers un état plutôt sombre ou réfléchissant au-dessus d’une certaine température.

Certains verres contenant des nanoparticules de composés métalliques (diamètres de l’ordre

de quelques millièmes de micromètres) sont susceptibles de présenter cet effet. Ceci a été réalisé au

niveau expérimental. Cependant la température correspondant au changement de comportement se

situe vers quelques centaines de degrés, ce qui n’est pas intéressant dans le cas d’une application

pour vitrages. Il faut donc trouver un matériau présentant l’effet thermochrome au voisinage de la

température ordinaire ou quelque peu supérieure.

Il est possible de déposer un film thermochrome de nature organique (un film de cristaux

liquides par exemple) sur une vitre en verre, ou plutôt entre deux feuilles de verres, l’ensemble

réalisant un vitrage appelé thermochrome. Une autre méthode est un dépôt d’oxyde métallique

judicieusement choisi, qui présente un pouvoir réflecteur sélectif pour la lumière visible et pour le

rayonnement Infrarouge.


59

Il existe des matériaux thermochromes minéraux, qui se présentent généralement sous forme

de dépôts (les couches sont réalisées par PVD). Les propriétés optiques sont affectées par suite de

changement de phase (passage de l’état semi-conducteur clair vers un comportement de type

métallique absorbant).

Un inconvénient est que les températures de transformation sont plutôt élevées comme

l’indique le tableau :

Tableau 6 : Températures de transformation de quelque oxyde.

Matériau Tc (°C)

NbO2 800

BiVO4 300

AL2-xCrxO3 183…377

VO2 68

Parmi ces oxydes, l’oxyde de vanadium est le plus intéressant pour l’application vitrage.

L’effet thermochrome de l’oxyde de vanadium est provoqué par le changement de phase

accompagné d’un changement de comportement semi-conducteur ↔ métal rendant le matériau

transparent à basse température et absorbant à température élevée.

Cet effet est réversible :

Semi conducteur ↔ Tc (68°C) ↔ comportement métallique (transparent) (absorbant).

A la température de transition, la résistivité électrique change de 4 ordres de grandeur. Le

matériau est mauvais conducteur de l’électricité à basse température (résistivité de l’ordre de 100 Ω

.Cm) et meilleur conducteur à haute température (résistivité de l’ordre de 0,01 Ω.Cm). Ce passage

de l’état plutôt isolant vers un état plutôt conducteur explique le changement des propriétés

optiques.

Lorsque la transition se produit, la transmission optique dans l’Infrarouge (longueur d’onde

λ égale ou supérieure à 3µm) passe de 70% à 30%, alors que la transmission dans la partie visible

du spectre est peu affectée, ce qui est très

intéressant pour le contrôle ‘intelligent’ de

transfert thermique figure (42). Ce revêtement est

appelé ‘spectralement sélectif’.

Figure 41. Structure d’un vitrage ‘intelligent’

thermochrome. Le contrôle solaire s’ajuste

automatiquement en fonction de la saison.


60

Par dopage de l’oxyde de vanadium VO2, il est possible de modifier la température de

transition Tc et obtenir une température de transition de +10°C jusqu’à 70°C.

Par exemple, le dopage de l’oxyde de vanadium avec 1,9% de tungstène abaisse la température de

transition vers 29°C.

Ainsi, le dépôt sur un vitrage d’un couche mince d’oxyde de vanadium convenablement

dopé pour avoir une température de transition vers 30°C, pourrait être considéré comme une version

‘automatique’ et ‘intelligente’ de vitrage à isolation thermique renforcée. Il s’agit d’un verre

fonctionnel ‘innovant’.

Un inconvénient pour sa commercialisation est un abaissement de transparence pour la

lumière visible et une légère tendance à être coloré en jaune. De grands progrès ont été réalisés

récemment, basés sur des dépôts de couches multiples et un contrôle de l’épaisseur. Ces progrès

permettent d’envisager une application pratique prochaine.

Il faut aussi noter parmi ces progrès qu’un mode de dépôt où l’oxyde de vanadium est formé

de grains de très petites tailles (quelques nanomètres) permet d’abaisser la température de

transformation de 68°C à près de 30°C, ce qui est appréciable pour une application vitrage.

3.3 - Autres variétés de vitrages thermochromes

Il existe d’autres possibilités pour qu’un vitrage soit thermochrome.

Première variété : la pose sur un vitrage existant d’un film constitué par une solution de polymère et

d’eau prise en sandwich entre deux films très minces de polymère. Ce film est pratiquement

transparent à basse température mais laisse passer peu la lumière si la température dépasse une

certaine valeur.

Une autre variété de vitrages thermochromes est constituée non pas par des verres à couches

minces mais par des vitrages feuilletés thermochromes. La couche intermédiaire est un polymère

dopé avec des complexes de métaux de transition. Les métaux dans ces complexes changent de

coordination, modifiant ainsi la transmission et la couleur du film polymère sous l’effet de la

température. Le vitrage s’adapte automatiquement en fonction des conditions climatiques. Là

encore il s’agit d’obtenir un vitrage thermochrome ‘auto adaptatif’ en fonction des conditions

climatiques, mais l’avantage du film VO2 est qu’il s’agit d’une version ‘tout minéral’ de bonne

durabilité.


61

4 - Modification des propriétés optiques du verre par dépôts multicouches diélectriques (transparents)

4.1 - Introduction Lorsque qu’une onde lumineuse qui se propage dans l’air arrive sur la surface d’un verre,

une fraction de l’intensité du rayonnement lumineux est réfléchie. On appelle coefficient de

réflexion R le rapport entre l’intensité lumineuse réfléchie et l’intensité lumineuse incidente.

Le coefficient de réflexion dépend de l’angle d’incidence. Si les rayons lumineux arrivent

perpendiculairement à la surface du verre, environ 4% de l’intensité lumineuse est réfléchie.

Ainsi, puisque la vitre a deux faces, c’est donc environ 8% de l’intensité lumineuse qui est

réfléchie. Ces reflets peuvent être gênants. Dans ce cas, il faudrait trouver une méthode pour réduire

ces reflets. Au contraire, dans certaines applications, il peut être intéressant d’avoir un facteur de

réflexion R très élevé.

De plus, pour des applications plus spécifiques, il est souhaitable d’avoir un coefficient de

réflexion dont la valeur est contrôlée selon la ‘couleur’ du rayonnement lumineux incident.

Il s’agit donc de modifier le coefficient de réflexion du verre par des dépôts judicieusement

choisis. Ce contrôle sélectif du coefficient de réflexion R d’un verre est obtenu par un dépôt,

généralement multicouche, de films diélectriques (c'est-à-dire transparents et donc non absorbants)

de très faible épaisseur. Les cas des dépôts métalliques et à faible émissivité seront traités dans

d’autres chapitres.

4.2 - Applications pratiques des traitements ‘anti-reflets’

4.2.1 - Dans le domaine du bâtiment et de l’architecture

Les traitements anti-réfléchissants sont utilisés pour les vitrines d’exposition (musées,

vitrines de magasins), rendant ainsi plus commode l’observation des objets sans reflets parasites.

Les cabines de presse dans les stades font appel aussi à des vitres anti- réfléchissantes car l’intérieur

est fortement éclairé en comparaison avec l’extérieur. Le traitement anti-réfléchissant n’est pas

toujours souhaitable dans le domaine du bâtiment. C’est le cas en particulier, des portes constituées

d’une feuille de verre (aéroports, halls d’accueil du public …), des abris bus urbains etc. ... Il est

même recommandé dans cette application illustrée par la figure (43) d’utiliser des verres

comportant une sérigraphie.


62

Figure 42. Il n’est pas souhaitable que les feuilles de verre

utilisées pour les portes de bâtiments avec accès au public

et le mobilier urbain soient traitées anti-réfléchissantes. Au

contraire, ces feuilles comportent des sérigraphies afin

d’être visibles !

4.2.2 - Dans le domaine de l’optique

Les traitements multicouches anti-réfléchissants

sont très utilisés dans les instruments d’optique et la lunetterie. Ces traitements sont très utiles pour

augmenter la luminosité des objectifs d’appareils photographiques et éliminer les reflets parasites

provoqués par des réflexions multiples.

4.2.3 - Dans le domaine des énergies renouvelables

Pour augmenter le rendement des cellules solaires (photovoltaïques et thermiques), les

verres de protections sont revêtus de couches antiréfléchissantes.

4.3 - Applications pratiques des traitements ‘semi-réfléchissants’ et ‘réfléchissants’

Ces traitements de surface du verre sont essentiellement utilisés dans le domaine de

l’instrumentation optique. Nous donnons ici des exemples d’application.

Application 1 : le dépôt sur du verre d’une couche transparente d’indice de réfraction élevé, par

exemple d’oxyde de titane, est utilisé pour produire un effet décoratif par réflexion sélective. Ce

dépôt est obtenu en condition industrielle par pulvérisation PVD magnétron.

Application 2 : La cavité résonnante d’un LASER utilise un traitement réfléchissant voisin de 1

pour une couleur (c'est-à-dire une longueur d’onde) bien précise : celle du rayonnement émis par le

LASER.

Application 3 : Les présentateurs de journaux télévisés utilisent souvent un ‘prompteur’. Cet

appareil, qui met en œuvre une glace semi-réfléchissante, permet de lire un texte déroulant tout en

fixant la caméra de prise de vue.

Application 4 : il peut être intéressant dans certains instruments d’optique scientifique de disposer

de deux faisceaux de même intensité lumineuse issus d’une seule source. Ceci est obtenu en

utilisant un ‘séparateur de faisceaux’ élaboré à partir d’un verre traité ‘semi réfléchissant’.

4.4 - Applications pratiques des traitements réfléchissants sélectifs

L’application la plus courante des miroirs sélectifs est la réalisation de ‘miroirs froids’. Les

miroirs ‘froids’ permettent un éclairage efficace et intense en lumière visible tout en minimisant le

chauffage indésirable par infrarouge et trouvent des applications concrètes.


63

On peut citer comme exemples les spots d’éclairage de vitrine de magasins, de vitrines

d’exposition de musées, sans oublier les miroirs utilisés en salles d’opérations chirurgicales etc. …

Ces dépôts sélectifs multicouches sont obtenus par procédé PVD. (Voir aussi le chapitre verres à

faible émissivité et à contrôle solaire).

4.5 - Aspects théoriques : le coefficient de réflexion d’une surface de verre

Un rayonnement lumineux incident sur la surface de séparation air/verre subit d’une part une

réflexion, alors que d’autre part une partie de l’intensité lumineuse est transmise (réfraction).

Figure 43.ondes incidente, réfléchie et transmise à la surface du verre. Dans le cas qui nous

intéresse, le milieu 1 est l’air et le milieu 2 est le verre.

Considérons les lois de Descartes de réflexion et de réfraction figure (44) portant sur les

angles des rayons incident i1, réfléchi i’1 et réfracté i2 :

Le coefficient de réflexion dépend de l’angle d’incidence i1 et de l’état de polarisation de

l’onde incidente. Dans ce qui suit, on s’intéressera essentiellement au cas de l’incidence normale

(i1=0), ce qui correspond à la situation la plus courante.

Dans le cas de l’incidence normale, en supposant que le milieu 1 est le vide ou l’air (n1=1 ou

1,00293, respectivement), et que le milieu 2 est un verre courant (n2 voisin de 1,5), le coefficient de

réflexion R est :

D’après cette équation, il en résulte que le coefficient de réflexion R de la surface du verre

est égal à 0,04 et donc que le coefficient de transmission T est égal à 1-R, soit 0,96.


64

Dans certaines applications, il peut être intéressant d’avoir R proche de 0 et dans d’autres

applications R voisin de 1, ou encore de l’ordre de 0,5. Pour ajuster le coefficient de réflexion (et

donc de transmission), pour un verre donné, il convient de modifier sa surface. Ceci peut être

obtenu par des dépôts de couches minces diélectriques (c'est-à-dire transparentes et non

absorbantes).

4.6 - Aspects théoriques : les dépôts simples ‘monocouches’

Soit une couche mince et transparente d’indice n0, déposée sur du verre d’indice n2. Un

calcul simplifié avec 2 ondes donne facilement les conditions pour avoir un coefficient de réflexion

fort ou faible, selon que les ondes réfléchies 1 et 2 figure (45) sont en phase ou en opposition de

phase.

Figure 44. Ondes incidente, réfléchie et transmise (verre à une seule couche).

La lumière réfléchie est composée de deux ondes: une onde provenant de la réflexion sur la

surface air/dépôt et une onde réfléchie sur la surface dépôt/verre. Les ondes étant cohérentes, il faut

additionner non pas les intensités mais les ‘vibrations’ ou champs électriques (interférences).

Le calcul plus rigoureux demande de prendre en considération les réflexions multiples dans

la couche dont les coefficients de réflexion sont R1 et R2 figure (46). Après avoir effectué la

sommation des ondes multiples (il y en a une infinité, et dont l’amplitude est décroissante), on peut

calculer les conditions et performances de traitements réfléchissants et anti-réfléchissantes.

Figure 45. Les ondes multiples (dépôt

monocouche)


65

Deux cas sont à étudier : le revêtement antireflet et le revêtement réfléchissant. Les

différents milieux sont supposés parfaits (donc non absorbants).

Soit λ0 la longueur d’onde de la lumière incidente.

4.6.1 - Traitement antireflet

Soit λ0 la longueur d’onde du rayonnement incident. On peut montrer que le traitement

antireflet est obtenu si les deux conditions suivantes sont remplies :

a) l’indice de la couche n0 doit être inférieur à celui du verre n2.n1<n0<n2

b) l’épaisseur e de la couche est donnée par :

n0 e = λ0/4 + k λ0/2

Où k est un nombre entier.

Ce dépôt est donc une couche appelée lame appelée ‘quart d’onde’.

Le coefficient de réflexion minimum est :

Le coefficient de réflexion est nul si :

Pour qu’une surface de verre d’indice n2=1,5 présente un coefficient de réflexion nul, il

faudrait un dépôt d’indice 1,23. C’est une valeur très faible. Il faut en outre que le dépôt soit réalisé

avec un matériau de bonne durabilité chimique et mécanique, adhérant au verre et pouvant être

déposé par un moyen commode industriel (PVD par exemple). Les matériaux qui conviendraient le

mieux seraient:

- le fluorure de magnésium MgF2 (indice 1,38)

- la cryolite Na3AlF6 (indice 1,35)

Si :

Alors le coefficient de réflexion sera minimum pour λ = λ0.


66

Un traitement anti-réfléchissant par dépôt de MgF2 abaisse le coefficient de réflexion de la

valeur initiale (verre sans dépôt) 4% à 1,2% (figure 47).

Figure 46. Réponse spectrale d’un dépôt monocouche anti-réfléchissantes

Le dépôt est ajusté pour que le coefficient de réflexion R soit minimum pour la longueur

l’onde λ 0=0,55 _m (centre du spectre visible).

A noter :

Si le dépôt est épais (k élevé), alors l’intensité sera nulle pour plusieurs valeurs de la

longueur d’onde dans le domaine visible du spectre. Dans la figure, on a représenté les cas k=0,

k=1 et k=2.

La valeur de R en fonction de la longueur d’onde explique l’effet décoratif obtenu par des

couches minces d’oxyde de titane sur du verre.

Mais il y a deux problèmes car :

1) le minimum n’est pas nul

2) le calcul suppose une lumière monochromatique de longueur d’onde λ0

, alors qu’on souhaite en général une réponse sur un spectre étendu (le spectre de lumière visible,

par exemple). Pour pallier ces inconvénients, il faut utiliser des dépôts multicouches.

4.6.2 - Traitement réfléchissant

Pour obtenir un traitement à fort pouvoir réflecteur, il faut que l’indice de réfraction de la

couche soit supérieur à celui du verre. C’est le cas par exemple de l’oxyde de titane. Le coefficient

de réflexion est maximum si l’épaisseur e de la couche est donnée par :

n0 e = λ0/4 + k λ0/2

Où k est un nombre entier.


67

Comme précédemment, il s’agit d’un dépôt ‘quart d’onde’. Par exemple, si on souhaite

obtenir des reflets bleus (longueur d’onde 0,45 µm) en éclairant un objet en verre par de la lumière

blanche il faut un dépôt d’oxyde de titane (indice égal à 2,28) d’épaisseur environ 0,05 µm.

4.7 - Les dépôts ‘multicouches’

4.7.1 - Traitement anti-reflets

La figure 47 donne l’exemple d’un revêtement à 4 couches d’indices de réfraction et

d’épaisseurs tels que :

n1e1 = n2e2 = n3e3 = n4e4 = 0,485 µm

n1=1,38 ; n2=2,2 ; n3=2,43 ; n4=1,887

Figure 47. Exemple de réponse spectrale d’un traitement anti-reflets à 4 couches :

n1e1 = n2e2 = n3e3 = n4e4 = 0,485 mm

n1=1,38 ; n2=2,2 ; n3=2,43 ; n4=1,887

4.7.2 - Couches à fort coefficient de réflexion :

Il existe deux solutions : soit un dépôt métallique, soit un dépôt diélectrique non absorbant

(simple couche ou à couches multiples).

Dans le cas d’un dépôt métallique, les coefficients de réflexion obtenus sont :

R=0,96 (argent)

R=0,92 (aluminium)

Si on utilise des dépôts diélectriques non absorbants, on obtient un résultat médiocre avec un

simple dépôt monocouche d’indice élevé. Par exemple, avec une couche de ZnS (indice 2,35) sur du

verre d’indice 1,5 on a: R=0,3.


68

Pour atteindre des pouvoirs réflecteurs très élevés, il est nécessaire d’avoir recours à des

systèmes multicouches constitués par des couches alternées de faible indice et de fort indice et

d’épaisseur optique e ‘’quart d’onde’’ λ0/4 (rappelons que l’épaisseur optique est égale à l’épaisseur

de la couche multipliée par l’indice de réfraction de la couche), λ0 étant la longueur d’onde du

rayonnement pour laquelle on veut obtenir le pouvoir réflecteur maximal.

La figure (47) donne à titre d’exemple la variation du coefficient réflecteur R en fonction de λ/ λ0

pour un dépôt constitué de 5 doublets de couches d’indices de réfraction respectif n1=1,38 et n2=2,3.

Avec un système multicouche déposé sur du verre d’indice n, constitué de 5 doublets comme

indiqué sur la figure (49), on a le dépôt des 5 doublets sur du verre d’indice n=1,5 donne:

R=0,98 Il est possible avec des dépôts plus élaborés d’obtenir R=0,999. Cette valeur, qui dépasse de

loin le coefficient de réflexion d’un métal, et qui de plus correspond à une absorption nulle, est

intéressante pour la réalisation de LASERS.

Figure 48. Exemple de traitement multicouche à fort coefficient de réflexion constitué de 5

doublets et sa réponse spectrale.

4.7.3 - Traitement pour réflexion sélective

Il s’agit de réaliser des systèmes présentant un coefficient de réflexion variable selon la

longueur d’onde, pour obtenir par exemple:

- des miroirs ‘froids’ transparents pour l’Infrarouge (IR) et ne réfléchissant que la lumière visible

- des miroirs ‘chauds’ transparent pour le visible et réfléchissant l’Infrarouge.

- des miroirs dichroïques permettant de séparer des faisceaux ‘de couleurs différentes’. Exemple de

‘miroir froid’.

Cette application impose certaines conditions :

1) un coefficient de réflexion élevé (au moins 95-98%) dans le spectre visible (longueurs d’onde:

400 à 700 nm).


69

2) une transmission élevée dans le proche IR (800 à 2500 nm).

3) une diffusion et absorption dans les couches du dépôt faible (<1%)

4) une bonne reproductibilité de température de couleur (en réflexion)

5) une bonne stabilité thermique des couches du dépôt (>250-400°C)

6) une durée de vie supérieure à 5000 heures sous éclairage intense

Comme cela a été signalé, ces miroirs sont constitués par un empilement alterné de

matériaux transparents d’indice élevé et faible.

Les matériaux utilisables dans la pratique sont :

- pour les indices faibles : MgF2 (1,35) ou SiO2 (1,46)

- pour les indices élevés : TiO2 (2,28) et ZnS (2,4)

Les systèmes couramment utilisés sont :

a) MgF2 et ZnS (‘réflecteur doux’)

b) SiO2 et ZnS (‘réflecteur semi dur’)

c) SiO2 et TiO2 (‘réflecteur dur’)

Applications des miroirs ‘froids’ :

Les miroirs ‘froids’ qui permettent un éclairage efficace et intense en lumière visible et en

minimisant le chauffage indésirable par infrarouge trouvent des applications concrètes.

On peut citer comme exemples les spots d’éclairage de vitrines de magasins, de vitrines

d’exposition de musées, de salles d’opérations chirurgicales etc. … La figure (49) donne la réponse

spectrale d’un miroir froid constitué par un dépôt de 23 couches et d’épaisseur totale égale à 2

micromètre. Les couches successives ont été produites par technique PVD.

Figure 49. Réponse spectrale d’un miroir ‘froid’ composé de 23 couches diélectriques : 11 couches

de faible indice (silice) alternées avec 12 couches de fort indice (TiO2). L’épaisseur totale du dépôt

est égale à 2 µm.

A noter que le coefficient de réflexion est presque égal à l’unité dans la totalité du domaine

visible et pratiquement nul en dehors de ce domaine : le miroir est transparent dans l’Infra-rouge et

l’Ultra-violet.


70

5 - Le vitrage autonettoyant

5.1 – Introduction

Les architectes conçoivent des immeubles de grandes dimensions (hauteurs). Ces façades de

grandes surfaces et de grandes hauteurs posent un problème car elles sont difficiles à atteindre et

donc difficiles à nettoyer. En 2001, la société Pilkington a commencé à commercialiser le vitrage

‘autonettoyant’, suivie par Saint-Gobain … et d’autres manufacturiers.

Le principe d’un vitrage autonettoyant est basé sur une couche transparente déposée en face 1 et qui

a la particularité d’être photocatalytique (sous l’effet des UV A de la lumière solaire) et hyper

hydrophile. L’effet photocatalytique provoque la destruction d’impuretés déposées sur la vitre

tandis que la propriété de superhydrophilicité favorise l’élimination de ces impuretés avec la pluie.

5.2 - Principe d’un vitrage autonettoyant

Plusieurs composés sont capables de provoquer l’effet photocatalytique favorisant la

destruction de composés organiques comme par exemple:

TiO2, SnO2, WO3, ZnO, CdS … L’oxyde de titane TiO2 (sous forme cristalline anatase) est le plus

actif et de plus présente un aspect d’hyperphilicité.

Le principe actif d’un vitrage autonettoyant est un mince film d’oxyde de titane TiO2 déposé

sur la face extérieure de la vitre. Sous l’effet du rayonnement solaire, ce film provoque des réactions

d’oxydo-réduction qui détruisent les composés organiques en formant du CO2 et de l’eau. Le

nettoyage de la surface de la vitre est obtenu par la pluie qui achève l’action par lavage. L’effet

hydrophile empêche la formation de gouttelettes d’eau qui concentreraient les impuretés et

laisseraient des traces après séchage. En outre, l’eau formant un film mince sur la vitre est évacuée

rapidement par évaporation.

Un verre autonettoyant est donc efficace quand il est exposé alternativement au soleil et à la

pluie. Cette action n’est pas efficace directement pour la destruction particules minérales, mais

diminue considérablement leur adhésion au vitrage par élimination des salissures organiques. Les

salissures minérales sont donc aussi éliminées avec la pluie.

5.3 - Caractéristiques et techniques de dépôt du film autonettoyant TiO2

a) le film doit être déposé en face 1 du vitrage Il s’agit d’une couche mince transparente

d’oxyde de titane TiO2 sous forme anatase. Le dépôt est généralement est appliqué ‘en ligne’ à

haute température pendant la fabrication de la feuille de verre.

b) Il s’agit donc d’un dépôt de type pyrolytique transparent d’oxyde de titane, dit ‘dépôt

dur’, est très résistant chimiquement et mécaniquement, ce qui est indispensable pour une


71

application en face1 (face extérieure). En outre, la manipulation est plus facile et le délai de

stockage ‘avant pose’ n’est pas limité.

c) l’épaisseur du dépôt est de quelques dizaines de nm (quelques millièmes de micromètres).

d) les vitrages autonettoyants réduisent la transmission des rayonnements UV (A et B) de 20

à 40 % ce qui est un avantage certain.

d) la pollution possible par les ions sodium Na+ provenant du verre pourrait poser un problème si

l’épaisseur du dépôt était trop faible.

e) outre le dépôt pyrolytique en ligne (qui est le dépôt le plus courant), d’autres procédés de

dépôt sont possibles :

- l’enduction, non utilisée pour les vitrages (poudre de TiO2 + liant)

- le dépôt par procédé sol-gel (‘dip coating’), suivi d’un recuit à haute température (300°C à400°C)

pendant lequel le composé organo-métallique est transformé en oxyde de titane.

5.5 - Aspects théoriques des effets photocatalytique et hyperhydrophile de l’oxyde de titane

L’oxyde de titane TiO2 est un matériau présent dans de nombreux produits de la vie

courante (pigments de peinture, cosmétiques, denrées alimentaires). Il se présente sous trois formes

cristallines : rutile, anatase et brookite. La photoactivité de TiO2 est connue depuis plus de soixante

ans. C’est sous sa forme anatase (densité 3,9) que l’oxyde de titane présente la plus grande activité

de photo catalyse et d’hydrophobicité photo-induite. Les dépôts CVD sont sous forme anatase.

L’anatase est un semi-conducteur. L’énergie de sa bande interdite est 3,2 eV, ce qui signifie que des

photons d’énergie au moins égale à cette valeur peuvent créer des porteurs de charge libres. C’est le

cas des UV A (de longueur d’onde égale ou inférieure à 0,38 µm) de la lumière solaire. Ainsi,

l’anatase est transparent à la lumière visible (surtout sous forme de film mince) mais à tendance à

absorber le rayonnement UV.

La figure (50) montre le mécanisme photochimique conduisant à la dégradation des

salissures organiques déposées sur la surface de l’oxyde de titane.

Tout d’abord un photon UV crée une paire de porteurs de charges électriques mobiles

(l’électron qui laisse une place vacante appelée ‘trou’). Ces porteurs de charges migrent à la surface

et créent des radicaux par interaction avec des molécules d’eau et d’oxygène de l’atmosphère.

Les radicaux ainsi créés .O2- et .OH vont dégrader activement les salissures organiques par

suite de réactions d’oxydo-réduction. Les salissures constituées de molécules organiques ainsi

dégradées vont être éliminées par l’eau de pluie grâce à l’effet d’hyperphilicité de l’anatase.


72

Figure 50. Réactions d’oxydo-réduction photoinduites à la surface de l’oxyde de titane

A : formation photoinduite d’une paire de porteurs de charge mobiles (électron + ‘trou’)

B : formation de radicaux responsables des réactions d’oxydo-réduction.

La figure (51) montre de façon schématique le mécanisme d’hyperphilicité photoinduite

oxyde de titane. Les photons UV (de la lumière solaire) induisent la formation de lacunes

d’oxygène à la surface de l’oxyde de titane, ce qui favorise l’adsorption de molécules d’eau est

facilité. Les molécules d’eau se dissocient et des groupes hydroxyles –OH se forment surface,

rendant ainsi la surface de l’oxyde de titane hyperhydrophile.

Figure 51.Mécanisme de l’hydraulicité photoinduite de l’oxyde de titane


73

6-Le verre émaillé et le verre sérigraphié

6.1-Définition

Le verre émaillé ou sérigraphié est un produit trempé dont une face (ou les deux) est revêtue

d'une (ou plusieurs) couche d'émaux colorés, opaques, vitrifiés au cours de la trempe thermique.

Tous les verres trempables peuvent être émaillés ou sérigraphié.

Le processus de l'émaillage et de la sérigraphie se déroule de la façon suivante :

Figure52.Processus de l’émaillage et de la sérigraphie des verres.

6.2-L’émaillage :

6.2.1-Définition d’un émail :

C'est un verre fusible à 600°C environ, auquel on a ajouté un colorant appelé en terme

technique "pigment". Pour que l'émail soit plus fusible que le verre, on utilise des "frittes" de verre

de composition spéciale (plus fondant, à base de borosilicate de plomb. Il existe également des

émaux sans plomb. Les pigments sont des oxydes minéraux qui donnent la couleur à l'émail. Ils sont

portés à haute température pour rendre la teinte stable.

6.2.2-Techniques d'émaillage :

Enduction au rideau

Cette technique est utilisée pour les grandes séries. Elle assure une excellente opacité avec

une consommation d'émail réduite. Un convoyeur à vitesse variable entraîne les volumes à émailler

sous une tête d'épandage. La tête est un bac suspendu possédant une fente à sa base. Cette tête est

remplis d'émail en suspension, un film s'écoule par la fente, les volumes crèvent le film à grande

vitesse et entraînent une quantité d'émail sur leur face supérieure. La quantité d'émail déposée est

fonction de la vitesse de passage sous la tête, la viscosité de l'émail et l'ouverture de la fuite. L'émail

provenant d'un bac avec agitateur est sans cesse recyclé. Ce procédé évite les taches d'émail sur la

face inférieure.

Dépôt de l'émail Façonnage, lavage et séchage Découpe du verre

- trempe Séchage de l'émail Chauffage du verre émaillé ou sérigraphié


74

Enduction au pistolet

Le pistolet pulvérisateur est supporté par un bras mécanique qui fait subir à celui-ci un

mouvement perpendiculaire de va-et-vient par rapport aux volumes qui avancent sur un transporteur

à rouleaux sous la pulvérisation.

La vitesse du pistolet est réglée par rapport à la vitesse de défilement du volume. Ce procédé

pollue la face inférieure et les chants ; un nettoyage soigneux des volumes avant trempe est

impératif.

Enduction par rouleau

L'enduction est réalisée par un rouleau, lui-même enrobé par un rouleau imprégnateur

baignant dans le bac contenant les émaux. Cette technique est réservée aux grandes séries. Elle est

très économique quant à la consommation d'émail. Elle assure une excellente opacité, sans pollution

des chants et de la face inférieure.

7-la sérigraphie :

La particularité de la sérigraphie par rapport aux autres techniques d'impression est que l'on

imprime à travers le cliché sur le support et non pas comme dans les autres techniques, par report du

cliché sur le support. Pour ce faire, on utilise un écran composé d'un tissu synthétique (polyester)

tendu sur un cadre métallique. Sous cet écran (dit cliché), on pose le support (verre) destiné à

recevoir l'impression.

Ce cliché est obtenu par une méthode photo mécanique directe de telle façon que les mailles

du tissu soient obturées dans les endroits qui ne doivent pas être imprimés et ouvertes dans les

parties de dessin qui doivent être reproduites. L’émail, déposé sur le dessus de l'écran à l'intérieur

du cadre, est pressé à travers les mailles ouvertes de l'écran à l'aide de la raclette (lame de

caoutchouc) .Cette opération est suivie d'un séchage ou polymérisation afin de faciliter les

manutentions du produit imprimé ou de permettre d'autres impressions. Cette polymérisation est

indispensable pour éviter le phénomène de craquelure lors de la trempe du volume. Le cycle de

sérigraphie avec émaux est achevé par la trempe qui permet de cuire les émaux (environ 650°C).


75

8-Caractérisation des couches minces

La caractérisation d’une couche mince s’effectue par la méthode suivante: mesure de

1'épaisseur, caractérisations structurales et analyse de la composition

8.1-Mesure de I’ épaisseur :

La caractéristique essentielle d'une couche mince étant sa faible épaisseur, Deux grandes

familiers de méthodes de mesure de 1'épaisseur sont présentes sur le marche : celles qui permettent

la mesure en temps réel au moment de la fabrication et celles qui font appel a des procèdes en

temps diffère. [8].

Les méthodes par micropesée :

Eu égard aux dimensions réduites, la masse d'une couche mince est toujours exprimée en

microgrammes et le matériel de mesure doit donc être très spécifique. Dans les années 60 deux

techniques ont été développées, 1'une, dite microbalance a fil de torsion est quasiment

abandonnée après avoir suscite beaucoup d'espoirs, 1'autre, microbalance a quartz vibrant,

imaginée simultanément par Gunther SAUERBREY en Allemagne et Pierre LOSTIS en France,

constitue actuellement le procède privilégie de mesure de 1'épaisseur d'une couche mince pendant

sa formation.

Procèdes optiques :

Le plus connu est plus employé comme moyen de contrôle d'une microbalance quartz

(étalonnage en cas de nouveau type de dépôt ou déplacement de quartz) que véritablement comme

moyen de mesure de routine car il est en temps diffère et de plus destructeur de la couche le plus

souvent. Son principe est base sur la génération de franges d'interférence entre un faisceau lumineux

monochromatique incident et réfléchi par la couche, selon la méthode du coin d'air.

8.2-Détermination de la structure.

En métallurgie des poudres ou des monocristaux, on a coutume d'analyser la structure des

matériaux par le biais de la diffraction des rayons X traversant ledit matériau. Avec les films, eu

égard a leur faible épaisseur, cette technique manque de sensibilité, de plus la présence d'un

substrat conduit généralement a des interférences complémentaires du type orientation

préférentielle des grains, macro et micro contraintes liées au processus de préparation.

II faudra donc prendre des précautions particulières si on veut a 1'aide des RX obtenir des

informations utiles sur la structure (ainsi un substrat monocristallin typique d'une application sur

semiconducteurs, induit des angles de diffraction spécifiques qui se superposent et dépassent en

intensité le signal couche mince).


76

La solution dans ce cas consiste à orienter le substrat par rapport au faisceau de telle sorte

que la condition de Bragg ne puisse être satisfaite pour le substrat, ce qui en général n'aura pas

d'incidence sur le film qui est le plus souvent polycristallin. II n'empêche que si le film est trop

mince (<200nm) on aura du mal à voir quelque chose.

8.3-Morphologie d'une couche mince

Le microscope a balayage (MEB) peut être utilise pour 1'étude analytique des surfaces sous

fort grossissement. Par rapport au microscope optique il présente 1'avantage essentiel d'une

résolution accrue et d'une profondeur de champ importante, mais en plus le bombardement d'une

surface par des électrons peut induire tout un ensemble de phénomènes exploitables pour 1'analyse.

8.4-Analyses des contraintes

La direction d'une contrainte dans un film peut être déterminée parfois par simple examen à 1'œil nu dans le cas d'un substrat mince reconverti sur une seule face. Si la cote recouverte est concave, la couche est en tension, elle est comprimée dans le cas inverse. La mesure du rayon de courbure donne la contrainte :

S = (E/6(l-v) r (ts2/tf) relation dans laquelle :

• E module d'Young du matériau, v coefficient de Poisson du substrat, ts épaisseur du substrat.

• tf épaisseur du film, r rayon de courbure.

En fait la validité de cette relation nécessite deux conditions principales : une liaison

importante entre le film et le substrat et pas de déformation plastique a I’ interface. Cela signifie

que lors du dépôt, et tout particulièrement au début, il n'y a pas eu de variation anormale de la

température. On devra donc prendre garde à ce problème thermique lors de la réalisation [8].

8.5-Adhérences

On vient de signaler 1'importance de 1'adhérence dans 1'évaluation significative des contraintes. II apparait très difficile de préciser quantitativement les interactions atomiques ou moléculaires responsables de cette adhérence.

8.6- compositions

L'aspect le plus important d'une caractérisation de couche mince est sans doute 1'analyse de sa

composition. Les méthodes analytiques, classiques avec les matériaux massifs, sont le plus souvent

utilisées [8].

Chapitre IV Le verre feuilleté

77

1- Généralités sur Le verre feuilleté

1-1 Historique :

En 1909, un chimiste français, Edouard Benedictus, fit tomber un jour, en rangeant son

laboratoire, un flacon contenant une solution de nitrocellulose. Il constata avec surprise qu'au lieu

de voler en éclats, le flacon, bien que fendillé en étoile ne s'était pas brisé. Il invente alors ce qui

deviendra le verre feuilleté, auquel il donne le nom de Triplex. Le Triplex a sauvé la vie de Georges

Clemenceau lors de l’attentat manqué de 1919, en démontrant l’utilité de ce verre qui n’éclatait pas

en morceaux dangereux, mais s’étoilait sous l’impact sans chuter ou projeter d’éclats vulnérants.

Cet attentat fit la publicité et la popularité de ce produit alors révolutionnaire. L’utilisation du verre

feuilleté dans le bâtiment fut plus tardive. La première grande réalisation en verre feuilleté en

France est la Pyramide du Louvre à Paris.

Ce procédé, industrialisé à la fin des années 1930, qui consiste à lier deux feuilles de verre par un

film intercalaire polymère transparent fait du verre un produit de sécurité.

1.2- Définition

Le verre feuilleté est un assemblage de feuilles de verres et d'intercalaires de nature

plastique. Les intercalaires peuvent se présenter sous forme de film, généralement (Poly-Vinyle-

Butyral) ou EVA (Ethyle-Vinyle-Acétate), ou bien sous forme liquide, coulée entre deux verres

(résine). Le verre feuilleté pour bâtiment fait l'objet de la norme EN ISO 12543.

Figure 63. Composition d’un verre feuilleté

ordinaire

Le verre feuilleté résiste à 1'impact (propriété

très importante). Lors d'un choc avec un corps

étranger, le verre se fendille, la fracture est

localisée au point d'impact sans altérer la visibilité. L'intercalaire PVB, maintient les morceaux de

verre en place, ce qui diminue le risque de coupure par 1'éclat de verre. II garde 1'étanchéité de la

paroi.

De plus, 1'énergie résiduelle du corps est absorbée par cet intercalaire ; le vitrage empêche donc le

passage du corps si 1'impact n'est pas disproportionne.


78

2- Principe de fabrication du verre feuilleté

Le verre de sécurité (feuilleté) est un assemblage de deux ou plusieurs feuilles de verre

(recuit ou trempe) liée entre elles par un ou plusieurs films de polyvinyle butyral (PVB) ou d'autres

matériaux synthétiques, résines ou gels peuvent être utilises.

Lors du processus de laminage, les verres sont places a 1'intérieur d'un autoclave puis

soumise a une pression de 180 a 200 pascal combinée a une température oscillant entre 275 a

300C°. Ce précède assure aussi une parfaite adhérence des différents éléments entre eux, ainsi le

produit rend transparent en éliminant 1'air emprisonne entre 1'intercalaire synthétique et le verre.

Alors le verre feuilleté est un matériau composite combinant les propriétés du verre aux

propriétés de 1'intercalaire utilise (adhésion au verre, élasticité, résistance a 1'impact).

Figure 64.Chaine de fabrication du verre feuilleté

2.1- Films intercalaires

L’intercalaire, de par ses propriétés mécaniques et adhésives, joue deux rôles. Il permet

d’une part de dégrader une partie de l’énergie d’impact par déformation viscoplastique et d’éviter

la projection de fragments. D’autre part, après impact, il permet de conserver une tenue résiduelle

assurant le maintien du vitrage.

Les films intercalaires permettent d’améliorer les performances du verre d’un point de vue

mécanique mais aussi acoustique (atténuation de certaines fréquences) tout en conservant la

propriété de transparence.

Son processus de fabrication lui permet aussi par adjonction de colorant d’être utilisé comme

élément de décoration. Le type d’intercalaire peut varier suivant le niveau de performance recherché

(polyuréthane, polycarbonate, résines bi-composants, polyéthylène, …).

Nous nous intéresserons ici au seul cas du poly ([alcool de vinyle] -co- [butyrate de vinyle]) ou «

polyvinyle Butyral » (PVB).


79

Ce polymère est le plus couramment utilisé pour les applications vitrages feuilletés grâce à

son forte compatibilité avec le verre, liée à sa transparence et à ses remarquables propriétés

adhésives, ainsi qu’à ses propriétés viscoélastiques garantissant une déformation importante avant

rupture et un amortissement maximal des basses fréquences à température ambiante viscoélastiques

garantissant une déformation importante avant rupture et un amortissement maximal des basses

fréquences à température ambiante [10].

2.1.1- Fabrication de résine de polyvinyle Butyral :

Le film utilise pour la fabrication de verre feuilletés est en polyvinyle Butyral (PVB)

obtenu par la réaction du butyraldehyde sur 1'alcool polyvinylique avec 1'addition d'un plastifiant.

Le polyvinyle Butyral s'obtient au cours d'un processus en trois étapes :

Première étapes : consiste à obtenir le poly acétate de vinyle a partir de la réaction d’acétylène avec

1'acide acétique comme suite :

Deuxième étape : Etant que 1'alcool vinylique monomère n'offre pas de résistance entant que

compose libre et qu'il n'est pas disponible pour la polymérisation, une conversion du poly

acétate de vinyle en alcool polyvinylique se fait par saponification en présence [11].


80

La troisième étape : le polyvinyle est obtenu par acétylisations de l’alcool polyvinylique avec du

butyraldéhyde.

La résine de PVB est une poudre blanche crème qui se présente sous la forme d'un film et

possède une élasticité suffisante pour son utilisation comme film de verre feuilleté de sécurité, la

compatibilité avec les plastifiants est déterminée par la part de groupes hydroxyle libres et

1'humidité. Parmi les plastifiants appropries, alors par exemple Tester du polyéthylène glycol et de

1'acide adipique.

La nature et la quantité déterminent les propriétés du film (propriétés mécaniques,

1'adhérence sur le verre) [11].

Les produits obtenus à la fine preuve d'une élasticité très élevée. Deux exemples de

plastifiants plus courants :

2.1.2- Caractéristiques physico-chimiques

• Transparence entre les feuilles de verre.

• Indice optique 1.47 proche de celui de verre (1.56).

• Resistance a la traction 200 à 250 Kg/Cm2.

• Allongement a la rupture 300%.

• Dilatation 7.7 X 10 beaucoup plus grandes que celle de verre

(9X 10'6).

• Densité : 1.07.

• Aptitude au collage avec le verre en fonction de 1'état de surface

du verre, de la teneur en eau du PVB.

• L'épaisseur existant des feuilles de PVB de 0.38, 0.76, 1.14 ou 1.54.


81

2.1.3- Trempe thermique

Le renforcement du verre par refroidissement rapide était connu depuis le XVIIe siècle au

moins. On savait qu'une goutte de verre fondu tombant dans de l'eau peut former une larme solide

de très grande résistance mécanique. La surface en se figeant forme une coque solide remplie de

matière visqueuse, car encore chaude, qui va se contracter en se refroidissant. Cette contraction

produit une forte compression permanente dans les couches superficielles de la goutte à froid de

sorte qu'il faut une force très grande pour produire la contrainte d'extension nécessaire au départ d'une

fracture. Notons que la coque en se formant doit s'étirer pour envelopper son contenu qui est plus chaud.

C'est à cause de cet étirage, qui n'est que partiellement élastique, que la coque se trouve en

compression lorsqu'elle et son contenu, après refroidissement, sont de nouveau à la même température.

Le même principe s'applique aux feuilles de verre, industriellement, le refroidissement s'effectue

maintenant par jets d'air (fig. 65).

Tous les autres moyens, tels que l'immersion dans de l'eau ou dans de l'huile, les pulvérisations

ou le contact avec plaques métalliques, produisaient des casses intempestives ou, au mieux, des états de

surface nécessitant un polissage [6].

Notons enfin qu'à cause du refroidissement rapide la température fictive du verre près de la surface est

plus élevée que celle de l'intérieur et cette différence augmente les contraintes produites par la trempe

thermique. Cette contribution serait d'environ 24% dans le cas une trempe industrielle d'un verre

d'épaisseur 6 mm.La trempe d'une feuille de verre à l'aide de jets d'air est issue du Laboratoire des

Glaceries de Saint-Gobain dirigé par Bernard Long, place des Saussaies, Paris. Comme d'autres, avant et

après lui, il a cherché une trempe par pulvérisation d'eau. La découverte fut faite lorsque le débit d'air

dans les pulvérisateurs était fort et que l'arrivée d'eau était restée fermée [6].

Figure 65. Principes d'installations industrielles de la trempe thermique de verre plat.


82

2.1.4) Trempe chimique

Lorsqu'une feuille de verre sodocalcique est immergée dans un bain de nitrate de potassium

fondu, vers 400°C, des ions de sodium près de la surface sont remplacés par des ions de potassium.

A cause de la plus grande taille de ces derniers, cet «échange d'ions» donne lieu à une forte

compression superficielle. Typiquement de 400 MPa, la contrainte est environ quatre fois celle

obtenue par trempe thermique.

Il est important de noter que la contrainte diminue par relaxation visqueuse pendant le

traitement de sorte qu’à la surface même la contrainte est au maximum dès les premiers instants de

l'échange. La durée du traitement sert à obtenir l'épaisseur nécessaire pour la couche en

compression.

Le niveau élevé du renforcement obtenu est l'avantage principal du procédé. Il y en a deux

autres : la possibilité de renforcer du verre mince (ce qui n'est pas possible par trempe.

L'inconvénient majeur est le temps de traitement qui se chiffre en dizaines d'heures. Pour

réduire cette durée (et augmenter les contraintes), on fait appel aux formules particulières.

Le procédé trouve une application dans les vitrages pour la construction aéronautique où une

faible cadence de production n'est pas un inconvénient rédhibitoire.

Il permet de fournir l'élément assurant la résistance mécanique d'un pare-brise (résistance

normalisée en particulier relativement aux chocs avec des oiseaux) avec une économie appréciable

de poids [6].

2.1.5) Régime thermique de la trempe :

Les températures du four approximatives sont consignées par rapport aux épaisseurs du

verre, plus l'épaisseur augmente plus la température diminue mais le temps de chauffage augmente

de manière 40 sec/mm d'épaisseur.

Exemple : à une épaisseur du verre égale 3,5mrn, la température est de725°C - l'épaisseur égale

12mm la température est de 710 C (voir la courbe de régime thermique).


83

Figure 66.Schéma du régime thermique de la trempe

3) Applications

Selon la nature des intercalaires, le verre feuilleté peut être :

• Un bon isolant acoustique ;

• Résistant au vandalisme, à l'effraction ou aux tirs d'armes à feu, voire aux ouragans ou aux

explosions ;

• Utilisé pour protéger les personnes de risques accidentels (pare-brise automobile, protection

contre la chute dans le vide en cas de bris du vitrage, etc.);

• Utilisé dans des parois pare-flammes ou coupe-feu jusqu'à deux heures (verre feuilleté à

intercalaire intumescent);

• Décoratif (film intercalaire de couleur, à motif, etc.);

• Opacifiant (film intercalaire à cristaux liquides);

• Photovoltaïque (intégration de cellules photovoltaïques dans le film intercalaire);

4) Types de verre feuilleté

Les verres feuilletés se chassent en quatre types différents :

1. Les verres anti-effraction.

2. Les verres de sécurité avec alarme.

3. Les verres pare-balles.

4. Les verres à haute résistance.


84

4.1) Les verres anti-effraction :

Composition

Le verre de sécurité (anti-effraction) est composé de deux ou plusieurs feuilles de verre

reliées entre elle par des feuilles de polyvinyle. Le nombre de feuilles peut atteindre jusqu'a 18

feuilles. Le type le plus mince étant : deux float de 2mm + Feuille de PVB 0.38mm.

Protection

On parle généralement de sécurité simple lorsqu'on cherche à protéger les personnes centre les

blessures graves en cas de heurt accidentel centre un vitrage.

Dans le cas de sécurité simple, le verre feuillète anti-effraction doit résister aux chocs d'un

personne tombant centre un vitrage, ou a une effraction simple, sans utilisation d'objet lourd.

Si le verre se fissure, le PVB va maintenir les morceaux de verre ensemble et empêcher leur

dangereuse dispersion.

Lorsque les vitrages sont exposes au vide, il doit rester en place et assurer une protection de chute

au travers de ceux-ci.

Tableau8 : La résistance à l’impacte des verres feuilletés.

classe Nombre d’impacte avec marteau et

hache

Energie accumulée

(joule)

Epaisseur totale

(mm)

Poids

Kg/m2

P6A 49 14850 14 30

P7A 64 17400 22 50

P7B 65 20950 23 50

P7B 72 25200 27 60

Propriétés mécaniques

Le verre Anti-effraction résiste à la destruction d'un vitrage par le moyen d'un marteau et d'une

hache réalisant une ouverture de 400X400mm.


85

Types d'utilisation :

Le verre feuilleté double ou triple de type anti-effraction s'utilise pour :

• Les verres de fenêtres composés avec un verre isolant.

• Séparation de locaux. • Cage d'escaliers.

• Verre de balcon. • Vitrage en toiture.

• Vitrines. • Protection de locaux contre 1'émeute, 1'effraction ou le vandalisme.

• Protection des biens. • Protection centre l’explosion.

Tableau 9 : exemple de la composition de quelques verres feuilleté double et triple, anti-effraction.

Nbr de verre Epaisseur

des verres

Nbr de PVB Epaisseur

de PVB

Epaisseur

totale

Poids

Kg/m2

Dimension

maximum

(cm)

2 2-2 1 0.38 4.3 10.4 120*280

2 3-3 1 0.38 6.3 15.5 250*600

2 4-4 1 0.76 9.7 21.0 250*600

2 5-5 1 1.52 11.5 26.7 250*600

2 6-6 1 2.28 14.3 32.5 250*600

2 6-6 1 4.56 16.5 34.7 250*600

3 3-3-3 2 0.76 10.5 24.0 250*600

3 4-4-4 2 0.76 13.5 31.5 250*600

3 5-5-5 2 1.52 18.5 40.7 250*600

3 5-5-5 2 2.28 19.5 42.0 250*600

3 6-6-6 2 3.80 26.0 53.0 250*600

3 6-6-6 2 4.56 28.0 56 250*600

4.2) Les verres de sécurité avec fil d'alarme

Ce type du verre constitue de deux ou plusieurs feuilles de verre généralement trempées, reliées par

des feuilles de polyvinyle Butyral avec insertion d'un réseau électrique de fils de cuivre

extrêmement minces et a peine visibles, de 0.08mm de diamètre. Ce réseau est constitue d'un trame

quadrillée ou de fils longitudinaux distant antre eux de 20 a 60mm. En cas d'effraction le fil

conducteur se sectionne et déclenche automatiquement le dispositif d'alarme place a 1'endroit du

verre ou relie au poste de police.


86

Figure 67. réseau electrique intercalé entre les feuille de verre.

Types d'utilisation

• Devantures d'établissement bancaires.

• Bijouteries, horlogeries.

• Salle de musée ; Collection d'objets d'art.

• Salles d'ordinateurs.

Les verres feuilletés avec insertion de fils d'alarme portent une grande résistance et signalisation

en cas d'effraction.

Les verres de sécurité avec film d'alarme sont exécutes selon les types de verres feuillètes et triple.

Exemple 1 : de 1'assemblage de deux feuilles du verre et une feuille de PVB avec insertion de

réseau électrique

Figure 68. 1'assemblage de deux feuilles du verre et une feuille de PVB avec insertion de réseau

électrique

Exemple 2 : L'assemblage de deux feuilles du verre et deux feuilles de PVB avec insertion

de réseau électrique.


87

Figure 69. L'assemblage de deux feuilles du verre et deux feuilles de PVB avec insertion de réseau

électrique.

4.3) Les verres pare-balles (anti-balle) :

Composition :

Les verres feuilleté anti-balle est un produit compose d'au moins trois couches de verre

assemblées par plusieurs couches de matière synthétique. Lors de la fabrication, les couches de

matière synthétique et les différentes couches de verre sont soumises à des pressions et des

températures telles que ces couches adhérent d'une façon définitive.

Protection

Le vitrage pare balles doivent établir une protection efficace et sécurisante entre un agresseur

arme et les personnes qu'il menace. Us doivent résister a un nombre détermine de tirs de balles.

Le verre anti-balle ne devrait pas être utilise comme un verre anti-effraction : il a été con9u

pour résister a des d'impacts de projectiles a grande vitesse et non a des impacts prolonges faits a

1'aide d'objets lourde (marteau, pierre, brique,.. .. etc.). Le verre anti-balle est un verre de sécurité

multi-feuilleté, fabrique pour résister à la pénétration des projectiles d'arme à feu. Lors de

Pimpant, I’ onde de choc produit par le projectile fait en sorte que des éclats se détachent du cote

protège. La conception du vitrage blinde fait en sorte que 1'énergie du projectile engendre un

nombre très minime de particules. Les éléments à prendre en considération pour sélectionner le

type de verre sont :

Le taux de risque propre à 1'établissement ou au local à protéger, lie :

• Au type de bâtiment (établissements financiers... etc.).

• A la nature de 1’activité (ambassade, véhicule blinde).

• A la présence de personnel.

• A la rapidité et aux moyens d'intervention.

• A la puissance des armes a feu centre les quelles ou souhaiterait se prémunir.


88

La résistance aux tirs d'armes a feu, liée :

• Au type d'armes.

• A la vitesse initiale du projectile.

• A la distance de tir.

• A la forme et a la composition de la balle et à la température du vitrage.

Les verres pare-balles sont divisés en deux catégories :

1- Les verres résistants aux armes de poing de faible puissance :

2- Tableau 10 : armes de faible puissance [11].

Epaisseurs des

verres (mm)

N° de feuille

de PVB

Epaisseur de

PVB

Epaisseur

totale (mm)

Dimension

max

6-6-6-6 3 0.76 26 254x449

4-12-4-4 3 0.76 28 254x449

6-6-6-6-6 4 0.76 32 254x449

8-8-6-8 3 1.52 33 254x449

2-Les résistants à toutes armes de poing

Tableau 11: toutes armes de poing [11]

Epaisseur de

verre (mm)

N° de PVB Epaisseur e

PVB

Epaisseur

totale (mm)

Dimension

max

6-15-5-4 3 0.76 32 254x449

5-15-5-4-4 4 0.76 36 254x449

Avantage du produit :

Confort acoustique :

Par sa composition, le verre feuilleté anti-balle augmente la valeur acoustique par rapport au

verre ordinaire de même épaisseur. Confort thermique.

En simple et évidemment en double vitrage le verre feuilleté anti-balle augmente le confort

thermique.

Confort visuel.

En faisant usage d'un film colore au lieu d'un film clair, le confort visuel est augmente.


89

Protection contre les rayons ultraviolets :

Le film de matière synthétique empêche pratiquement la pénétration des rayons ultraviolets

et protège les objets exposes de la décoloration.

-Dimensions maximum de fabrication.

2500X3500mm avec un poids de 205Kg maximum par verre.

4.4) Les verres à haute résistance :

Les verres feuillètes a haute résistance sont un assemblage de deux verres trempes

chimiquement et trois feuilles (deux feuilles de polyvinyle butyrate et. D’une feuille de

polycarbonate). Le verre a trempe chimiquement offre une résistance mécanique d'environ cinq fois

supérieure a celle du flot et résiste bien aux chocs mous, a 1'abrasion, au transpercement et a la

coupe au moyen de dament [11].

Ce type du verre résiste milieu a 1'abrasion et produit chimique ainsi que Ce type du verre

est considère comme un verre anti-feu, qui résiste généralement environ de 700c° pendant 4 heures.

Ces avantages sont donnes par le film de polycarbonate qui possède des propriétés remarquables.

-Dimensions maximales : 300X195Cm.

L’utilisation :

Les ateliers de fondre.

Les pistes d'aéroport et tout Les endroit ou il ya le risque de sante.

Figure 70.verre feuilleté à haute résistance [11].

Chapitre V Le vitrage isolant

90

1- Le double vitrage

1-1 Définition :

Un double vitrage est une paroi vitrée constituée de deux vitres séparées par une épaisseur

d’air immobile, dite « lame d’air ». L’intérêt du double vitrage est de permettre une amélioration

thermique et phonique, la lame d’air constituant un bon isolant, bien meilleur que le verre lui-

même. Le double vitrage permet ainsi de réduire l’« effet de paroi froide » d’où une diminution de

la condensation en hiver et une diminution des pertes de chaleur soit un gain de 10 % de la

consommation en chauffage.

En pratique la lame d’air est parfois constituée de gaz inertes (argon, krypton) afin

d’améliorer l’isolation. Il existe aussi des triples vitrages, conçus pour apporter une isolation encore

meilleure. Le triple vitrage, pour être intéressant, nécessite une attention particulière sur l’isolation

au niveau des joints de menuiserie, car c’est en général par eux qu’a lieu le gros des déperditions de

chaleur. Le triple vitrage est par exemple utilisé sur les trains à grande vitesse.

Un double vitrage standard a un indice uw d’environ 2,9 W/m²K, un double vitrage haute

performance peut descendre jusqu’à 1,1 W/m²K.

Les épaisseurs sont souvent désignées de la façon suivante : A/B/C. Avec A, B, et C, les épaisseurs

en millimètres des éléments (vitre extérieure, lame d’air, vitre intérieure). Des doubles vitrages

courants sont en 4/16/4. Les deux vitres ont souvent la même épaisseur. Sinon, on parle de double

vitrage asymétrique. Le double vitrage asymétrique permet une meilleure isolation phonique car les

fréquences de résonnance des deux vitres sont différentes. En général, la vitre extérieure est souvent

la plus épaisse : 10/10/4. Cependant, le sens n'a pas d'effet sur les performances d'affaiblissement

acoustique. Seul lors de l'utilisation d'un vitrage feuilleté, le sens de mise en place sera conditionné

par les contraintes de protection des personnes en fonction de leur situation vis-à-vis le vitrage.

Figure 71 .Composition d’un double vitrage isolant


91

Le dessicatif introduit dans l'espaceurs est destiné à assécher le gaz emprisonné à la

fermeture du vitrage et à absorber la vapeur d'eau éventuelle. Le bon fonctionnement des barrières

d'étanchéité et du dessicatif conditionne la durée de vie du vitrage.

1-2 Les modes de transmission de chaleur

L'intérêt du dispositif est de bénéficier du pouvoir isolant apporté par la lame d'air ou de gaz,

et de faire baisser de la sorte le coefficient de transmission thermique U de l'ensemble du vitrage.

Elle se fait par conduction et rayonnement dans le verre. La présence de la lame d'air permet de

limiter les pertes de chaleur par conduction, la conductivité thermique de l'air (0.025 W/mK (à

10°C)) étant nettement inférieure à celle du verre (1

W/mK).

Figure72 .mode de transfert de chaleur à travers un

double vitrage.

1-3 Caractéristiques énergétiques

Lorsque l'énergie solaire est interceptée par une paroi, une partie est réfléchie vers

l’extérieur, une partie est absorbée par le matériau, une partie est transmise à l’intérieur. La

transmission solaire du double vitrage est légèrement plus faible que celle du vitrage simple car la

chaleur qui traverse le vitrage est absorbée et réfléchie par deux couches et non une seule.

Les schémas suivants donnent les coefficients de transmission thermique U et le facteur solaire FS

d'un double vitrage et d'un simple vitrage :

Figure73 .les coefficients de transmission thermique U et le facteur solaire FS d'un double vitrage et

d'un simple vitrage


92

1-4 Caractéristique lumineuse

Le double vitrage assure un aspect neutre en réflexion et une grande transparence. Il est

caractérisé par un coefficient de transmission lumineuse élevé mais néanmoins inférieur à celui d'un

simple vitrage.

Figure74. Coefficient de transmission lumineuse d’un simple et double vitrage.

1-5 Caractéristique acoustique

Curieusement, l'isolation acoustique que procure le double vitrage dans les basses (bruit de

trafic lent) et moyennes fréquences est légèrement inférieure à celle d'un simple vitrage de la même

épaisseur.

Il est caractérisé par un indice pondéré d'affaiblissement acoustique :

Tableau 12 : indice pondéré d'affaiblissement acoustique d’un double vitrage.

Rw Rw + C Rw + Ctr

30 29 26

Certaines dispositions peuvent être prises de façon à assurer des performances acoustiques

suffisantes. On se référera aux vitrages acoustiques. A partir du double vitrage des améliorations

sont possibles afin d'augmenter encore les performances énergétiques et solaires du vitrage : le

vitrage basse émissivité, absorbant, réfléchissant...


93

2- Le double vitrage "à basse émissivité"

2-1 Principe

Ce vitrage est aussi appelé "vitrage à haut rendement" ou "vitrage super isolant". En anglais,

il se nomme vitrage "low-E" et en France, on l'appelle "Vitrage à Isolation Renforcée" (VIR).

L'objectif est d'augmenter le pouvoir isolant du double vitrage, c.à.d. de diminuer son coefficient de

transmission thermique U (anciennement "k"). Vous avez dit : "émissivité" ?

Quand de la chaleur ou de l'énergie solaire est absorbée par un vitrage, elle est réémise par le

vitrage, soit par convection d'air le long de sa surface, soit par radiation de la surface du vitrage vers

les autres surfaces plus froides. Par conséquent, la réduction de la chaleur émise par les fenêtres

sous forme de radiation peut améliorer fortement ses propriétés isolantes.

La capacité d'un matériau à émettre de la chaleur de manière radiative est appelée son

émissivité. Ce coefficient d'émissivité varie en fonction de la longueur d'onde du signal émis. Les

fenêtres, ainsi que les matériaux que l'on trouve à l'intérieur d'un bâtiment, émettent typiquement

des radiations sous forme d'infrarouges de très grande longueur d'onde. A savoir enfin que pour une

longueur d'onde donnée, le coefficient d'absorption d'un matériau est égal au coefficient

d'émissivité. Les vitrages standards ont une émissivité de 0.84 sur l'entièreté du spectre. Cela

signifie qu'ils émettent 84 % de l'énergie possible pour un objet à cette température.

Cela signifie également qu'en ce qui concerne les rayonnements à grande longueur d'onde

qui frappent la surface du verre, 84 % est absorbé et seulement 16 % est réfléchi.

Par comparaison, les couches basse-émissivité ont un coefficient d'émissivité de 0.04. Les vitrages

sur lesquels on a déposé de telles couches émettront seulement 4 % de l'énergie possible à cette

température, donc absorberont seulement 4 % du rayonnement de grande longueur d'onde qui les

atteint. Autrement dit, ils réfléchiront 96 % du rayonnement infrarouge de grande longueur d'onde.

Application

Le rayonnement calorifique des objets terrestres est émis à une longueur d'onde plus élevée

que ceux qui composent le spectre solaire. D'où l'astuce : il est tout à fait possible de laisser pénétrer

l'énergie solaire (à courte longueur d'onde) à travers un vitrage tout en empêchant la chaleur (à

grande longueur d'onde) de quitter ce local !


94

Figure75. Ondes électromagnétiques correspondant au rayonnement solaire et au rayonnement

des corps terrestres.

Figure76 .Principe de fonctionnement d’un double vitrage à basse émissivité.

La couche "basse émissivité" est, en général, une couche métallique, en argent par exemple,

déposée sous vide et qui doit être placée à l'intérieur du double vitrage vu sa fragilité. Elle bloquera

une partie du transfert de chaleur par rayonnement, diminuant ainsi le flux total de chaleur au

travers de la fenêtre.

2-2 Importance de la position de la couche basse émissivité

La position de la couche basse émissivité dans un double vitrage n'affecte en rien le facteur

U (ou k) de celui-ci. Donc, en ce qui concerne les pertes de chaleur par transmission, il n'y a

absolument aucune différence que la couche basse émissivité soit placée en position 2 ou en

position


95

Figure77. Numérotation des faces d’un double vitrage.

La surface d'un vitrage, dans un double ou un triple vitrage, est référencée par un nombre,

commençant par le numéro 1 pour la surface extérieure du vitrage extérieur vers la surface

intérieure du vitrage intérieur. La surface intérieure d'un double vitrage porte donc le numéro 4.

Par contre, le facteur solaire FS du vitrage est influencé par la position de la couche. En effet, en

plus de sa capacité à inhiber les transferts d'infrarouges à grande longueur d'onde, une couche basse

émissivité absorbe aussi une certaine quantité de l'énergie solaire incidente. Cette énergie absorbée

est transformée en chaleur, provoquant ainsi un échauffement du vitrage. Si l'on cherche à laisser

passer la chaleur solaire (FS élevé), la couche basse émissivité sera placée sur le verre intérieur du

double vitrage (en face 3). La chaleur absorbée par la vitre sera réémise vers l'intérieur.

Figure78. Double vitrage avec une couche basse émissivité déposée sur la vitre interne

Si l'on cherche au contraire à diminuer la chaleur solaire entrante (FS faible), la couche

basse émissivité sera placée en face 2, la chaleur absorbée par le vitrage étant alors essentiellement

réémise vers l'extérieur. Dans ce cas, on peut adjoindre une couche réfléchissante à la couche basse

émissivité pour diminuer encore FS.


96

Figure79 .Double vitrage avec couche bas emissivité deposée sur la vitre extene

Et si on pose le châssis à l'envers ?

Lorsque les châssis et les vitrages arrivent séparément sur un chantier, on veillera à ce que la

couche basse émissivité se retrouve bien à la position souhaitée pour tous les châssis du bâtiment

(généralement en face 3 dans le domestique et en face 2 dans le tertiaire avec apports internes).

Si l'autocollant est absent, il est possible de repérer la position de la couche au moyen de la flamme

d'un briquet. En effet, 4 images de la flamme seront réfléchies par les 4 faces. La couche basse

émissivité génèrera un reflet bleuté, les autres étant plus orangées

2-3 Caractéristiques énergétiques et lumineuses

Le double vitrage basse émissivité est caractérisé par un faible coefficient de transmission

thermique U, variant de 1,1 à 1,9 W/m².K selon le mode d'application de la couche métallique ainsi

que la nature du gaz présent entre les feuilles de verres. Il existe une multitude de vitrages sur le

marché. Des combinaisons multiples sont proposées entre le facteur solaire FS et le facteur de

transmission lumineuse FL. Il est possible de trouver un vitrage pour lequel la présence de la couche

métallique ne provoque qu'une très légère baisse des gains solaires et de la transmission lumineuse

par rapport à un double vitrage classique. Autrement dit, la couche basse émissivité "ne se voit pas".

Tableau 13 : caractéristique énergétiques et lumineuse des doubles vitrages.

Type de vitrage Facteurs énergétiques Facteur lumineux

U(K) W/m2K FS % TL %

Double vitrage ordinaire 2.8 76 81

Double vitrage à basse

émissivité

1.3 60…75 74…80


97

2-4 Combinaison des couches basse émissivité et de couches permettant le contrôle solaire

La couche à basse émissivité peut être manipulée de manière à transmettre le rayonnement

ayant certaines longueurs d'onde et à réfléchir le rayonnement ayant d'autres longueurs d'ondes.

On peut ainsi combiner les couches à basse émissivité et les couches de contrôle solaire. Il

s'agit alors de couches déposées sous vide, combinant ces deux effets et placées en position 2.

Les premiers vitrages à basse émissivité ont été conçus de manière à maximiser les gains

solaires en hiver. Ils devraient donc avoir un grand facteur solaire, un coefficient de transmission

lumineuse important ainsi qu'un faible coefficient de transmission thermique U (anciennement "k").

Ils devaient donc transmettre les longueurs d'ondes du rayonnement solaire (rayonnements visibles

et infrarouges proches) mais arrêter les infrarouges lointains (correspondant au rayonnement des

corps terrestres). On appelle ces vitrages "vitrages à basse émissivité et haute transmission".

Actuellement dans les bâtiments du secteur tertiaire, on demande de plus en plus de

minimiser les gains solaires tout en conservant une bonne transmission lumineuse et une bonne

isolation.

Ces vitrages doivent donc transmettre le rayonnement visible tout en arrêtant le rayonnement

solaire correspondant aux infrarouges proches et le rayonnement des corps terrestres (les

infrarouges lointains). Ces vitrages sont appelés "vitrages à basse émissivité sélectifs".

Exemple. On trouve actuellement des vitrages "haut rendement" avec un facteur solaire

limité à 40 % tout en atteignant une transmission lumineuse de 70 %. Pour diminuer encore le

facteur solaire, on peut enfin placer une couche basse émissivité sur un vitrage teinté foncé ou

augmenter le coefficient de réflexion des rayons lumineux de la couche elle-même, créant ainsi un

produit ayant les propriétés isolantes d'un vitrage "basse émissivité", conjugué un rejet des gains

solaires, perdant de facto une certaine qualité de transmission lumineuse. Ces vitrages sont appelés

"vitrages à basse émissivité sélectifs et à basse transmission".

Figure80 .Coefficient de transmission lumineuse de

quelques verres

1. Vitrage clair

2. Vitrage basse émissivité et haute transmission

3. Vitrage basse émissivité spectralement sélectif

4. Vitrage basse émissivité spectralement sélectif et

à basse transmission.


98

3-Le triple vitrage Le vitrage est formé par trois feuilles de verre séparant deux espaces d'air.

3-1 Caractéristiques énergétiques et lumineuses L'isolation thermique que procure un triple vitrage est meilleure que celle d'un double

vitrage. Le coefficient de transmission thermique U d'un tel vitrage est de 1,9 W/m²K pour un triple

vitrage ordinaire. Par contre, les gains solaires et la transmission lumineuse sont diminués par la

présence du troisième verre. Le facteur solaire (FS) est généralement de 68 % et le facteur de

transmission lumineuse (TL) sera de 74 %. Une variante Le triple vitrage est rarement appliquée,

car sa forte épaisseur et son poids élevé ne s'adaptent pas aux menuiseries classiques.

Une variante consiste en un double vitrage avec un ou plusieurs films plastiques tendus dans

l'espace d'air, de façon à avoir plusieurs lames d'air en série sans augmenter le poids du vitrage.

Figure81. Assemblage d’un triple vitrage.

4-Le vitrage isolant acoustique Si l'on observe le spectre d'isolation acoustique d'un double vitrage, on remarque que

l'isolation acoustique que procure un double vitrage est relativement mauvaise à la fréquence

critique des feuilles de verres (3 200 Hertz) et dans les basses et moyennes fréquences (bruit de

trafic lent).

Figure82. Isolation acoustique d’un verre ordinaire et d’un double vitrage


99

Ce deuxième puits de résonance s'explique par le fait que le double vitrage se comporte

comme un système acoustique du type MASSE/RESSORT/MASSE. La lame d'air jouant le rôle de

ressort, son épaisseur est généralement trop faible pour créer un ressort suffisamment souple et le

système fait entrer le verre en résonance. Pourtant l'acoustique s'améliore lors d'un remplacement

d'un châssis !

Des propos ci-dessus, on pourrait déduire que le remplacement, en rénovation, du simple

vitrage par du double vitrage n'est pas intéressant du point de vue acoustique... Cette supposition est

cependant erronée car le remplacement du vitrage s'accompagne, en général, du remplacement du

châssis qui offre une meilleure étanchéité à l'air et donc à une meilleure isolation acoustique que

l'ancien châssis; ce qui mène à une amélioration de l'isolation acoustique de l'ensemble vitrage +

châssis. Certaines dispositions permettent aussi d'améliorer l'isolation acoustique d'un double

vitrage :

Les doubles vitrages dissymétriques

Chaque plaque d'un matériau d'une épaisseur donnée a une fréquence critique pour laquelle elle se

met à vibrer plus facilement. A cette fréquence, le bruit se transmet beaucoup mieux.

Le principe des vitrages dissymétriques est le suivant :

On utilise au sein d'un même vitrage des verres d'épaisseur suffisamment différente de sorte

que chacun d'eux puisse masquer les faiblesses de l'autre lorsqu'il atteint sa fréquence critique.

La figure suivante compare les spectres d'isolation acoustique d'un double vitrage classique et d'un

double vitrage dissymétrique.

Figure83 .Isolation acoustique des doubles vitrages 4/12/4 et 8/12/4.


100

Tableau14 : performances acoustiques des doubles vitrages pour différents types d’assemblages.

Composition (mm) Rw + C (db) Rw + Ctr (db)

6-15-4 33 31

8-12-5 35 32

8-20-5 35 32

10-12-6 36 34

10-15-6 37 34

10-12-8 36 34

Les vitrages avec gaz isolant

On remplace l'air d'un double vitrage par un gaz isolant adapté (l'hexafluorure de carbone : SF6).

Cela permet de réaliser des gains appréciables dans les hautes et moyennes fréquences (bruits de

trafic rapide), mais les performances s'avèrent défavorables dans les basses fréquences (bruit de

trafic urbain (315 Hertz)). La figure suivante comparant les spectres d'isolation acoustique d'un

double vitrage classique et d'un double vitrage avec gaz isolant.

Figure84. Isolation acoustique d'un double vitrage classique et d'un double vitrage avec gaz isolant.

Ce gaz présente le désavantage de diminuer l'isolation thermique des doubles vitrages et cause des

problèmes à l'environnement. Les doubles vitrages avec SF6 sont donc à déconseiller et sont, de

toute façon, appelés à disparaître.


101

Les verres feuilletés acoustiques

.

Figure 85. Association d’un verre feuilleté dans un double vitrage.

L’utilisation d’un vitrage feuilleté dans le double vitrage améliore d’avantages les

performances de ce dernier, non seulement au niveau de pouvoir acoustique mais également il

assure une bonne protection anti-vandalisme

Tableau 15: isolation acoustique de quelques vitrages spéciaux comparée à celle d’un vitrage

ordinaire.

Type de vitrage Rw Rw + C Rw +Ctr

Vitrage double ordinaire (4/15 air/4) 30 29 26

Vitrage thermique dissymétrique (8/12 argon/5) 38 36 32

Vitrage thermique feuilleté (6/15air/55.2pvb) 38 37 35

Vitrage feuilleté (8/12air/44.2 pvb) 41 40 37

Vitrage avec pbv amélioré(12/20air/44.2 pvb) 44 43 40

Vitrage avec résine coulée 49 47 42

102

Conclusion

Le verre n’est plus le matériau fragile posé dans de petites ouvertures aménagées dans une

paroi afin de laisser pénétrer un peu de lumière naturelle dans les intérieurs.

Dans l’architecture actuelle, le verre est devenu lui-même paroi, voire façade. Il doit donc en

assumer toutes les fonctions telles que la protection contre le froid, la chaleur, l’eau, le vent, l’excès

de lumière, parfois la transparence, le bruit, le feu, les rayonnements nocifs, le vandalisme,

l’effraction, etc. …. et ce de manière économique, durable et esthétique.

Le verre est devenu un matériau d’architecture complet aux fonctions sans cesse plus

nombreuses, plus attractives et plus performantes autorisant les réalisations les plus audacieuses.

Le développement de ce travail sera le fruit d’une collaboration entre universitaires et

industriels pour asseoir une politique de recherche à l’échelle industrielle et universitaire, de cette

façon nous pourrions contribuer à l’extension de notre industrie verrière qui recense un manque

flagrant pour ce type de matériau de construction, et acquérir une performance de développement

industriel.

L’ampleur de ce travail nous pouvons approfondir et mettre en application nos

connaissances scientifiques et technologiques pour développer plus spécialement certains aspects

des verres spéciaux tels que :

Relations structure- composition- propriétés des matériaux.

Mise en ouvre des matériaux, formulation, élaboration.

Comportement en service.

Stratégie de choix d’un matériau pour une application donnée.

Acquérir une performance de développement industriel.

Développement d’une politique de recyclage du verre (gain d'énergie, matières premières et

écologie).

Notre objectif aussi est de sensibiliser les industriels ayant choisi l’option des matériaux

pour l’importance de développement de l’industrie verrière et de satisfaire le marché national vis à

vis des exigences auxquelles les produits obtenus de devraient se soumettre.

Aujourd’hui, dans un monde de compétition industrielle, où tout est plus difficile, le succès

et la rentabilité d’un produit passent par l’amélioration constante des techniques de fabrication en

termes de productivité, de qualité, de consommation d’énergie, et de réduction de la pollution.

103

Sommaire

Chapitre I

Généralités sur le verre

1Introduction……………………………………………………………………………………………………………...…......1

2- Généralités sur le verre ................................................................................................................................... 2

2.1- définition du verre : ..................................................................................................................................... 2

2.2- Structure et vitrification : ............................................................................................................................ 2

2.2.1- Critère de GOLDSCHMIDT : .................................................................................................................. 2

2.2.2- Règles de ZACHARIASEN : ................................................................................................................... 3

2.2.3- La transition vitreuse ................................................................................................................................ 4

2.3- Les propriétés du verre : ........................................................................................................................... 5

2.3.1- Propriétés rhéologiques ......................................................................................................................... 5

2.3.2- Propriétés électriques ................................................................................................................................ 7

2.3.3- Propriétés mécaniques .............................................................................................................................. 7

Chapitre II

Description de l’unité MFG

Description de l’unité MFG : ........................................................................................................................... 23

2-Les différents ateliers de la ligne : ................................................................................................................ 23

2-1- Atelier de composition : ............................................................................................................................ 23

2-2- Atelier de fusion : ..................................................................................................................................... 25

2-3- Bain d’étain : ............................................................................................................................................. 27

2-4- Etenderie : ................................................................................................................................................. 28

2-5- La découpe : .............................................................................................................................................. 29

2-6- Atelier de contrôle de qualité : .................................................................................................................. 30

2-7- Installations annexes : ............................................................................................................................... 30

104

Chapitre III

Les verres à couches

1. Les verres à couches ..................................................................................................................................... 31

1.1 - Introduction .............................................................................................................................................. 31

1.2 - Les fonctions d’un verre à couches .......................................................................................................... 31

1.2.1-Les fonctions optiques ............................................................................................................................. 31

1.4.3.2- Principe de canon a électron................................................................................................................ 37

.4.4- Le dépôt de couche pyrolytique .................................................................................................................. 38

1.4.4.1-Sur substrat chaud : ................................................................................................................................. 38

1.4.4.1.1) la pyrolyse en phase liquide : ............................................................................................................... 38

1.4.4.1.2) la pyrolyse en phase solide : ................................................................................................................ 38

1.4.4.1.3) la pyrolyse en phase gazeuse : ............................................................................................................. 38

1.4.4.2) Sur substrat froid................................................................................................................................... 39

1.4.5) Procédé ‘sol-gel’ : ..................................................................................................................................... 39

1.5- Tests, normalisation des verres à couches pour l’architecture ........................................................................ 39

2 - Classification des vitrages pour le bâtiment ................................................................................................ 39

2.1 - Le rôle des couches .................................................................................................................................. 39

2.2 - La classification des verres à couches dans le bâtiment ........................................................................... 41

2.3 - La numérotation des faces d’un vitrage simple ou multiple .................................................................... 41

3 - Traitement de surface hydrophobe .............................................................................................................. 42

3.1 - Surface hydrophobe : ............................................................................................................................... 42

3.2 - Réalisation de surfaces de verre hydrophobes ......................................................................................... 43

3.3 - Aspects théoriques ................................................................................................................................... 44

4 - Dépôt transparent conducteur de l’électricité .............................................................................................. 45

4.1 - Nature du dépôt : ITO (oxyde d’étain et d’indium) ................................................................................. 45

4.2 - Elaboration du dépôt ITO ......................................................................................................................... 45

4.3 – Utilisations ............................................................................................................................................... 46

5 - Verres à couches pour protection contre les incendies ................................................................................ 46

105

5.1 - Définition ................................................................................................................................................. 46

5.2 - Structure et fonctionnement d’un verre à couches intumescentes............................................................ 46

5.3 - Les verres à couches réfléchissantes ........................................................................................................ 47

5.4 - Les classes et normes pour vitrages de protection anti-incendie .............................................................. 47

5.3 - Les verres à couches pour l’isolation thermique renforcée et le contrôle solaire .................................... 48

5.3.1-Le verre et le rayonnement solaire .......................................................................................................... 48

5.3.1.1- Introduction et définitions ................................................................................................................... 48

1.1.2 - Les vitrages à faible émissivité (appelés aussi peu émissifs) ................................................................ 49

1.1.3 - Mode de dépôt et performance .............................................................................................................. 50

1.1.4 - Les produits industriels ......................................................................................................................... 50

1.1.5 - Les économies d’énergie ....................................................................................................................... 51

1.1.6 - La transmission spectrale ...................................................................................................................... 52

- Aspects théoriques ......................................................................................................................................... 53

- Notions sur les transferts thermiques ............................................................................................................. 53

1.2.2 - Le problème du transfert de chaleur à travers un vitrage ...................................................................... 53

2 - Les vitrages électrochromes ........................................................................................................................ 54

2.1 - Introduction .............................................................................................................................................. 54

2.2 - Les vitrages ‘obturateurs’ à cristaux liquides ........................................................................................... 54

2.3 - Le vitrage électrochrome ‘assombrissant’ ................................................................................................ 56

2.3.1- Description du fonctionnement .............................................................................................................. 56

2.3.2- Applications ........................................................................................................................................... 57

2.3.3- Réalisation et structure du vitrage assombrissant .................................................................................. 57

3- Les vitrages thermochromes : vers un contrôle solaire ‘intelligent’ ............................................................ 58

3.1 - Introduction : la thermochromie ............................................................................................................... 58

3.2 - Les dépôts et couches thermochromes pour vitrages ............................................................................... 58

3.3 - Autres variétés de vitrages thermochromes ............................................................................................. 60

4 - Modification des propriétés optiques du verre par dépôts multicouches diélectriques (transparents) ........ 61

4.1 - Introduction .............................................................................................................................................. 61

4.2 - Applications pratiques des traitements ‘anti-reflets’ ................................................................................ 61

106

4.2.1 - Dans le domaine du bâtiment et de l’architecture ................................................................................. 61

4.2.2 - Dans le domaine de l’optique ................................................................................................................ 62

4.2.3 - Dans le domaine des énergies renouvelables ........................................................................................ 62

4.3 - Applications pratiques des traitements ‘semi-réfléchissants’ et ‘réfléchissants’ ..................................... 62

4.4 - Applications pratiques des traitements réfléchissants sélectifs ................................................................ 62

4.5 - Aspects théoriques : le coefficient de réflexion d’une surface de verre ................................................... 63

4.6 - Aspects théoriques : les dépôts simples ‘monocouches’ .......................................................................... 64

4.6.1 - Traitement antireflet .............................................................................................................................. 65

4.6.2 - Traitement réfléchissant ........................................................................................................................ 66

4.7 - Les dépôts ‘multicouches’ ........................................................................................................................ 67

4.7.1 - Traitement anti-reflets ........................................................................................................................... 67

4.7.2 - Couches à fort coefficient de réflexion : ............................................................................................... 67

4.7.3 - Traitement pour réflexion sélective ....................................................................................................... 68

5 - Le vitrage autonettoyant .............................................................................................................................. 70

5.1 – Introduction ............................................................................................................................................. 70

5.2 - Principe d’un vitrage autonettoyant ......................................................................................................... 70

5.3 - Caractéristiques et techniques de dépôt du film autonettoyant TiO2 ....................................................... 70

6-Le verre émaillé et le verre sérigraphié ......................................................................................................... 73

6.1-Définition ................................................................................................................................................... 73

6.2-L’émaillage : .............................................................................................................................................. 73

6.2.1-Définition d’un émail : ............................................................................................................................ 73

6.2.2-Techniques d'émaillage : ......................................................................................................................... 73

7-la sérigraphie : ............................................................................................................................................... 74

8-Caractérisation des couches minces ..................................................................................................................... 75

8.1-Mesure de I’ épaisseur : ................................................................................................................................... 75

8.3-Morphologie d'une couche mince ..................................................................................................................... 76

8.4-Analyses des contraintes .................................................................................................................................. 76

8.5-Adhérences .................................................................................................................................................... 76

8.6- compositions ................................................................................................................................................. 76

107

Chapitre IV

Le verre feuilleté

1- Généralités sur Le verre feuilleté ................................................................................................................. 77

1-1 Historique : ................................................................................................................................................. 77

1.2- Définition .................................................................................................................................................. 77

Figure 63. Composition d’un verre feuilleté ordinaire ................................................................................. 77

2- Principe de fabrication du verre feuilleté ..................................................................................................... 78

2.1- Films intercalaires .................................................................................................................................... 78

2.1.1- Fabrication de résine de polyvinyle Butyral : ...................................................................................... 79

2.1.3- Trempe thermique ................................................................................................................................. 81

2.1.4) Trempe chimique ................................................................................................................................... 82

2.1.5) Régime thermique de la trempe : .......................................................................................................... 82

3) Applications .................................................................................................................................................. 83

4) Types de verre feuilleté ................................................................................................................................ 83

4.1) Les verres anti-effraction : ........................................................................................................................ 84

4.2) Les verres de sécurité avec fil d'alarme ..................................................................................................... 85

4.3) Les verres pare-balles (anti-balle) : ........................................................................................................... 87

4.4) Les verres à haute résistance : ................................................................................................................... 89

Chapitre V

Le double vitrage

1- Le double vitrage ...................................................................................................................................... 90

1-1 Définition : ................................................................................................................................................. 90

1-2 Les modes de transmission de chaleur ....................................................................................................... 91

1-3 Caractéristiques énergétiques ..................................................................................................................... 91

1-4 Caractéristique lumineuse .......................................................................................................................... 92

108

1-5 Caractéristique acoustique ......................................................................................................................... 92

2- Le double vitrage "à basse émissivité" ......................................................................................................... 93

2-1 Principe ...................................................................................................................................................... 93

2-2 Importance de la position de la couche basse émissivité ........................................................................... 94

2-3 Caractéristiques énergétiques et lumineuses .............................................................................................. 96

2-4 Combinaison des couches basse émissivité et de couches permettant le contrôle solaire ......................... 97

3-Le triple vitrage ............................................................................................................................................. 98

3-1 Caractéristiques énergétiques et lumineuses .............................................................................................. 98

4-Le vitrage isolant acoustique ......................................................................................................................... 98

Les doubles vitrages dissymétriques ........................................................................................................ 99

Conclusion ...................................................................................................................................................... 102

Documents

Memoire Pour MFG