Verre

Le verre, dans le langage familier, sert à désigner un matériau ou un alliage dur, fragile et transparent au rayonnement visible.


Catégories :

Matériau de construction - Verrerie - Couverture (construction) - Matériau recyclable

Définitions :

  • On obtient du verre par fusion du sable silicieux avec du carbonate de sodium ou de potassium. En recyclant le verre, on économise du sable silicieux. (source : syctom-paris)
Une bouteille de verre coloré.

Le verre, dans le langage familier, sert à désigner un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus fréquemment, le verre est constitué d'oxyde de silicium (silice SiO2) et de fondants, le constituant principal du sable [1].

De manière scientifique, le verre est défini comme un matériau amorphe (c'est-à-dire non cristallin) présentant le phénomène de transition vitreuse. En dessous de cette température de transition qui est particulièrement élevée, le verre se présente à l'état vitreux.

Histoire

Article détaillé : Histoire du verre.

Les hommes ont commencé par utiliser des verres naturels comme l'obsidienne puis ont appris à fabriquer eux-mêmes le verre. Les techniques se sont étoffées et on a commencé à élaborer des verres transparents, mis en forme en utilisant surtout le soufflage. Puis avec l'ère industrielle, les progrès de la chimie et de la physique, on est passé à la production à grande échelle de verre dont les usages se sont de plus en plus diversifiés depuis les origines.

Science

Physico-chimie

Cette partie aborde le verre et ses caractéristiques d'un point de vue physico-chimique. Dans cette partie, nous limiterons notre étude à des verres d'oxydes. Cependant, il existe d'autres grands types de verres, surtout, les verres métalliques (composés seulement d'éléments métalliques) et les verres de spin (composés cristallisés caractérisés par une absence d'ordre magnétique à longue distance, d'où leur nom).

Structure

Diffractogramme de rayons X d'un mélange de deux composés : l'un vitreux et l'autre cristallin.

Le verre est un matériau amorphe, c'est-à-dire non cristallin. Par conséquent, il présente un désordre structural important. Sa structure microscopique est telle qu'il n'existe aucun ordre à longue distance dans un verre. Un verre peut même être vu comme un «réseau» tridimensionnel, comparable à celui d'un cristal, mais dans lequel seul l'ordre à courte distance est conservé.

Comparons, par exemple, la structure de la silice (SiOv (2) ) cristalline (sous sa forme cristobalite) et celle de la silice vitreuse.

Représentation schématique bi-dimensionnelle de la silice cristalline (cristobalite).
Représentation schématique bi-dimensionnelle de la silice vitreuse.

Dans les deux cas, chaque atome de silicium est lié avec quatre atomes d'oxygène, formant ainsi des tétraèdres SiO4 ; chaque tétraèdre pouvant être reconnu comme une «brique» de l'édifice final. Mais alors que la cristobalite peut être définie comme un empilement régulier de ces briques SiO4, la silice vitreuse peut être reconnue comme un empilement anarchique de ces mêmes briques SiO4.

À cause de sa structure amorphe, les verres produisent, en diffraction des Rayons X (DRX), un halo de diffusion, contrairement aux cristaux qui donnent des pics étroits et intenses.

Principaux composants

À cause de sa structure amorphe, le verre est soumis à particulièrement peu de contraintes stœchiométriques. Par conséquent, un verre peut inclure en son sein une très grande variété d'éléments et présenter des compositions particulièrement complexes.

Dans un verre d'oxydes, ces différents éléments sont sous une forme cationique, pour former des oxydes avec l'anion oxygène O2-.

Les cations intervenant dans la composition de verres peuvent être classés en trois catégories selon le rôle structural qu'ils jouent lors de la vitrification (formation du verre)  : les formateurs de réseau, les non-formateurs de réseau (ou modificateurs de réseau) et les intermédiaires. Les critères structuraux de cette classification prennent en compte le nombre de coordination (nombre d'atomes d'oxygène auquel est lié le cation) et les forces de liaison.

Formateurs de réseau

Les formateurs de réseau sont des éléments qui peuvent à eux seuls former un verre. Les éléments formateurs les plus courants sont le silicium Si (sous sa forme oxyde SiO2), le bore B (sous sa forme oxyde B2O3), le phosphore P (sous sa forme oxyde P2O5), le germanium Ge (sous sa forme oxyde GeO2) et l'arsenic As (sous sa forme oxyde As2O3).

Ce sont des éléments métalliques de valence assez élevée (généralement 3 ou 4, quelquefois 5), qui forment des liaisons mi-covalentes mi-ioniques avec les atomes d'oxygène. Ils donnent des polyèdres de faible coordinence (3 ou 4), comme SiO4, BO4 ou BO3. Ces polyèdres sont liés par leurs sommets et forment le réseau vitreux.

Modificateurs de réseau

Les modificateurs de réseau (ou non-formateurs) ne peuvent pas former de verre à eux seuls. Ce sont principalement les alcalins, les alcalino-terreux et dans une moindre mesure certains éléments de transition et les terres rares.

Rupture d'un pont Si-O-Si par adjonction d'une molécule de modificateur Na2O.

Ils sont généralement plus volumineux (rayon ionique plus important) que les formateurs de réseau, faiblement chargés et donnent des polyèdres de grande coordinence. Leurs liaisons avec les atomes d'oxygène sont plus ioniques que celles établies par les formateurs.

Ils peuvent avoir deux rôles structuraux bien différents, soit modificateurs de réseau vrais, soit compensateurs de charge.

Intermédiaires

Les éléments intermédiaires ont différents comportements : certains de ces éléments sont soit formateurs, soit modificateurs selon la composition du verre alors que d'autres n'auront ni l'une ni l'autre de ces fonctions mais un rôle intermédiaire.

Les principaux éléments intermédiaires dans les verres d'oxydes sont l'aluminium Al, le fer Fe, le titane Ti, le nickel Ni et le zinc Zn.

Centres colorés
Un verre de teinte bleue peut être obtenu avec un ajout de cobalt.

Des métaux et des oxydes métalliques peuvent être ajoutés lors du processus de fabrication du verre pour influer sur sa couleur. L'ajout d'une faible quantité de manganèse permet d'élimer la teinte verte produite par le fer. À des concentrations plus élevées, il permet l'obtention d'une couleur proche de celle de l'améthyste. De même que le manganèse, le sélénium utilisé en faible quantité sert à décolorer le verre. Une quantité plus importante produit une teinte rouge. Le verre est teint en bleu par l'ajout d'une faible concentration de cobalt (0, 025 à 0, 1 %). L'oxyde d'étain et les oxydes d'antimoine et d'arsenic permettent de produire un verre blanc opaque. Ce procédé a été utilisé pour la première fois à Venise pour obtenir une imitation de porcelaine. L'ajout de 2 à 3 % d'oxyde de cuivre produit une couleur turquoise. L'ajout de cuivre métallique pur conduit à un verre rouge particulièrement sombre, opaque, quelquefois utilisé comme substitut au rubis doré. Suivant la concentration utilisée, le nickel sert à produire des verres bleus, violets ou même noirs. L'ajout de titane conduit à un verre jaune-brun. L'or métallique ajouté à des concentrations particulièrement faibles (voisines de 0, 001 %) permet d'obtenir un verre de couleur rubis, alors que des concentrations plus faibles toujours amènent à un verre de rouge moins intense, fréquemment présenté comme «groseille». De l'uranium (0, 1 à 2 %) peut être ajouté pour donner au verre une teinte jaune ou verte fluorescente. Le verre à l'uranium n'est pas suffisament radioactif pour être dangereux. Par contre, s'il est broyé pour former une poudre, par exemple en le polissant avec du papier de verre, la poudre peut être cancérigène par inhalation. Les composés à base d'argent (surtout le nitrate d'argent) permettent d'obtenir des teintes dans une gamme allant du rouge orangé au jaune. La couleur obtenue par l'ajout de ces différents additifs dépend de manière significative de la façon dont le verre a été chauffé et refroidi au cours du processus de fabrication.

Transition vitreuse

Article détaillé : Transition vitreuse.
Variations thermiques du volume spécifique V et de l'enthalpie H lors du passage de l'état liquide à l'état solide (vitreux ou cristallin).

D'un point de vue thermodynamique, le verre est obtenu à partir d'une phase liquide surfondue solidifiée au point de transition vitreuse, Tg.

Pour une composition donnée, on s'intéresse à la variation d'une grandeur thermodynamique comme le volume occupé par cette phase (en désormais la pression constante) ou une des fonctions thermodynamiques énergétiques molaires, comme l'enthalpie H, par exemple (on aurait aussi pu choisir l'énergie interne U).

Intéressons-nous au refroidissement d'un liquide. A priori, pour des températures inférieures à la température de fusion Tf (Tf dépend de la pression), l'état le plus stable thermodynamiquement correspond à l'état cristallisé (enthalpie la plus faible envisageable). À Tf, on observe alors une variation de H ainsi qu'un changement de pente de H (cette pente est bien plus faible pour un solide que pour un liquide).

Mais si, lors du refroidissement du liquide, la viscosité est trop importante ou le refroidissement particulièrement rapide, la cristallisation n'a pas le temps de se produire et un liquide surfondu est alors obtenu. Aucune discontinuité de H n'est alors observée à Tf et sa pente reste inchangée. En poursuivant le refroidissement, la viscosité du liquide augmente de façon exponentielle et le liquide surfondu devient presque solide. Quand elle atteint 1013 poises, la rigidité empêche les mouvements microscopiques locaux et on observe un changement de pente de l'enthalpie (la pente devient la même que pour celle du composé cristallisé). La température à laquelle se produit ce changement se nomme température de transition vitreuse, Tg. Pour une température inférieure à Tg, le matériau est un solide avec le désordre structural d'un liquide : c'est un verre. Le désordre, et par conséquent l'entropie, sont plus élevés dans un verre que dans un cristal.

Le passage continu de l'état liquide à l'état vitreux se fait dans une plage de température délimitée par la température de fusion (Tf) et la température de transition vitreuse (Tg). La zone de transition vitreuse encadre Tg. En dessous de Tg, le verre devient "hors équilibre" : il s'éloigne de son équilibre thermodynamique, on dit que le verre est l'isostructural d'un liquide de température plus élevée (ce qu'on nomme la température fictive). Le temps de relaxation indispensable pour atteindre l'équilibre de configuration (l'équilibre thermodynamique) est alors supérieur au temps d'expérience. Ainsi, le verre est un matériau métastable, évoluant infailliblement vers l'état d'équilibre mais pouvant persister à l'état vitreux sur des périodes de temps particulièrement longues. C'est le cas par exemple de l'obsidienne, verre volcanique naturel, dont on peut trouver des spécimens vieux de plusieurs millions d'années.

Malgré sa forte viscosité, le verre conserve certaines propriétés des liquides dont surtout le caractère désordonné, mais contrairement aux liquides usuels son temps de relaxation est énorme et le verre ne peut pas «couler» aux échelles de temps humaines[Note 1]. Ainsi selon Daniel Bonn, du Laboratoire de physique statistique de l'ENS, si les vitraux des cathédrales, ou les glaces de la Galerie des Glaces au château de Versailles sont plus épaisses à la base qu'à leur sommet, c'est du fait du procédé de fabrication utilisé, la partie la plus épaisse étant disposée vers le bas pour des raisons de stabilité[2] [3]. Si la description du verre comme un liquide extragénéralement visqueux n'est pas totalement infondée, elle reste par conséquent particulièrement discutable[4].

Résistance chimique et Altération du verre

Le verre industriel a de bonnes compatibilités avec la majorité des composés chimiques, par contre l'acide fluorhydrique (HF) dégrade aisément le verre.

Les verres ne sont pas insensibles à l'action de l'eau ou de l'air. Bien sûr, cela n'empêche pas l'existence de verres ayant plusieurs millions d'années et non altérés car la sensibilité des verres à l'altération dépend de leur composition chimique.

Au contraire de une idée reçue assez courante, le verre solide ne s'écoule pas ni à l'échelle des temps historiques[5], ni à l'échelle des temps géologiques[réf.  nécessaire].

Calcul de propriétés

Valeurs représentatives

Les valeurs qui suivent ne sont destinées qu'à apporter un ordre de grandeur, car il existe plusieurs variétés de verres, des flints lourds (chargés en plomb ; masse volumique variant de 2 500 à 5 900 kg/m3) au verre à vitre standard (2 500 kg/m3) en passant par les crowns (de 2 200 à 3 800 kg/m3) , etc.

Propriétés physiques moyennes du verre sodique
Propriété physique Valeur Unité
Masse volumique 2 500 [6] kg/m3
Module de Young 69 000 [6] MPa
Cœfficient de Poisson 0, 25 [7] -
Limite d'élasticité 3 600 [6] MPa
Résilience de 1 500 à 2 500 [8] Pa
Cœfficient de dilatation linéaire de 0, 5 à 15×10-6 [8] /°C
Conductibilité thermique 1 [7] W/m/°C

Calcul par combinaison des propriétés de différentes phases

Les propriétés de verre peuvent être calculées par l'analyse statistique des bases de données de verre[9], [10], par exemple SciGlass[11] et Interglad[12]. Si la propriété de verre désirée n'est pas liée à la cristallisation (par exemple, la température de liquidus) ou à la séparation de phase, la régression linéaire peut être appliquée en utilisant des fonctions polynômes communes jusqu'au troisième degré. Au-dessous figure une équation d'exemple du deuxième degré. Les C-valeurs sont les concentrations composantes de verre comme Na2O ou CaO en pourcentage ou d'autres fractions, les b-valeurs sont des cœfficients, et n est le chiffre total des composants de verre. La composante principale de verre, la silice (SiO2), est exclue dans l'équation ci-dessous à cause de l'au-dessus-paramétrisation, due à la contrainte que l'ensemble des composants résument à 100 %. Énormément de termes dans l'équation ci-dessous peuvent être négligés au moyen de l'analyse de corrélation et de signification.

Propriété du verre = b_0 + \sum_{i = 1}ˆn \left(b_i C_i + \sum_{k = i}ˆn b_{ik} C_i C_k \right)

Autres verres

Par extrapolation le nom de verre est utilisé pour d'autres matériaux amorphes.

A titre d'exemple, des mélanges à base de fluorures de zirconium, baryum, lanthane et aluminium produisent des verres fluorés plus transparents dans l'ultraviolet et le proche infrarouge que le verre de silice. Ils servent par conséquent à fabriquer des instrument optiques pour ces rayonnements[13].

Énormément de verres de lunettes sont fabriqués avec des verres organiques qui sont des polymères à base de carbone comme le polycarbonate de bisphénol A ou le polycarbonate d'allyle.

Certains alliages métalliques peuvent être solidifiés avec une structure amorphe grâce à un refroidissement particulièrement rapide, on les nomme alors des verres métalliques. On peut par exemple projeter le métal en fusion sur un tambour de cuivre tournant à grande vitesse. Ces alliages sont utilisés par exemple pour les cœurs de transformateurs. En effet leur cycle d'hystérésis est particulièrement faible, ce qui réduit énormément les pertes.

On peut obtenir des dépôts d'alliages métalliques (Al-Cu-Fe) amorphe par dépôt sous vide.

Certains aciers peuvent être solidifiés sous forme amorphe. Du fait de leur isotropie, ils ont des propriétés non-magnétiques intéressantes surtout pour la construction de sous-marins furtifs. Ils ont aussi une grande dureté et une très bonne tenue à la corrosion.

Verre biologique

Cyclotella meneghiniana est une petite espèce commune de diatomée d'eau douce.

L'espèce vivante la plus grosse productrice de verre n'est pas l'homme, mais la famille des diatomées. En effet, ces algues unicellulaires sont protégées par une coque de verre aux formes étonnantes et délicates. Constituant du plancton, la masse de ce verre est énorme et bien supérieure à la production humaine. Depuis 2008, les scientifiques commencent à identifier le détail de la synthèse : elle part des silicates présents dans l'eau de mer, et ils commencent à savoir reproduire en laboratoire des réactions semblables[14]. Cette fabrication a lieu dans des conditions physiques de la chimie douce, c'est-à-dire qu'elle ne nécessite ni température ni pression élevées.

L'intérêt majeur du verre pour la diatomée est de ne pas faire obstacle à la photosynthèse en laissant passer la lumière. Il est synthétisé particulièrement rapidement au moment de la méiose.

Utilisation

Bouteille pour eau minérale.
Diverses présentations utilisées surtout comme renfort de plastiques ou de composites.

Le verre est utilisé principalement en optique pour ses propriétés réfringentes (lentilles, verres de lunettes).

Il est aussi utilisé en chimie et dans l'industrie agroalimentaire : il réagit particulièrement peu avec la majorité des composés utilisés dans ces domaines, c'est par conséquent un matériau parfait pour les contenants (bouteilles, pots d'yaourt, béchers, erlenmeyers, colonne de distillation, éprouvettes, tubes à essai, etc. ). Un des seuls liquides ayant le pouvoir de dissoudre le verre est l'acide fluorhydrique (HF).

Le verre est le matériau dans lequel sont confinés les déchets radioactifs de haute activité (HAVL) par le procédé de vitrification. En effet sa structure désordonnée permet d'absorber une partie des radiations.

Le verre est aussi un matériau de construction particulièrement important dans l'architecture moderne et dans l'industrie automobile. Il est surtout présent sous forme de laine de verre, isolant léger, imputrescible et ininflammable et la brique de verre est utilisée pour réaliser des parois translucides.

Les utilisations artistiques du verre sont innombrables depuis les origines. Elles ont accompagné de nombreuses innovations techniques (pâte de verre, fusing, thermo-formage, etc. ).

Dans de nombreuses applications, le verre est aujourd'hui remplacé par des matières plastiques, plus légères et fréquemment plus résistantes au choc.

On peut le rencontrer sous forme de microbilles, de fibres (coupées ou non), de mats (fibres disposées «en vrac») ou de tissus (mode de tissage «taffetas», par exemple). Incorporées dans la matrice polymère ou déposées en surface, ces présentations sont utilisées surtout comme renfort (fibreux[15] ou non) de résines thermoplastiques (polyamides... ) ou thermodurcissables (polyesters, époxydes... ) dans les plastiques, mais aussi dans les matériaux composites.

Types de verres industriels

Le verre peut subir des modifications pour le renforcer et le sécuriser :

Le verre peut aussi subir des traitements de surface, le plus fréquemment des dépôts :

Techniques artisanales du verre

La verrerie forme une activité artisanale.

Depuis l'Antiquité, les artistes-peintres ont adopté la feuille de verre comme support pour peindre.

Terminologie

Recyclage

Saint Remy les Chevreuse Lake Beausejour Glass Recycling.jpg

Les bouteilles de verre usagées peuvent être fondues. La matière ainsi récupérée sert à fabriquer de nouvelles bouteilles. Le verre, s'il est bien trié (Tri sélectif) peut se recycler indéfiniment sans perdre ses qualités. Dans certains pays tels que l'Allemagne ou les pays nordiques, le tri peut différentier le verre blanc, vert et brun pour un recyclage plus performant, et les bouteilles consignées puis réutilisées sont plus souvent choisies par les producteurs et consommateurs.

Le verre peut aussi être produit à partir de calcin (verre broyé) de récupération. La fabrication du verre à partir de calcin de récupération économise des matières premières et de l'énergie.

Avant d'être refondu, le verre subit différents traitements : broyage, lavage, élimination des colles, étiquettes, capsules, séparation du verre et des métaux et élimination des rebuts (porcelaine, cailloux…).

En France, le verre est récupéré pour être recyclé. L'Allemagne et la Belgique ont aussi privilégié un autre dispositif de réutilisation : la consigne. Dans ce dispositif les bouteilles sont récupérées entières, lavées puis réutilisées. Le Canada utilise un dispositif comparable à l'Allemagne et a uniformisé le format des bouteilles de bière pour favoriser une réutilisation plus rentable et facile par diverses compagnies.
En Guyane, depuis fin 2006, les déchets de verre (70 tonnes collectées de fin 2006 avec un premier chantier-test mi 2007 au centre de Cayenne) sont utilisés en fond de couche routière. Il faut 4 600 t de verre pour 30 km de route. Ce type de réutilisation peut cependant poser des problèmes de dangerosité (lors des chantiers et pour la faune fouisseuse).

Économie

Symbolique

Le verre est un des premiers matériaux mis au point, rêvé par l'homme. Il est le symbole de fragilité, de finesse et de transparence : par exemple, la pantoufle de verre de Cendrillon dans le conte de Perrault et le dessin animé de Walt Disney. Il est répandu que dans le conte original la pantoufle serait de vair, mais Perrault avait écrit l'histoire originale avec une pantoufle de verre[16], [17], qui a été transformée en vair (fourrure d'écureuil) par la tradition orale, avant de redevenir verre pour le dessin animé.

Note

  1. Voir par exemple Edgar Dutra Zanotto, Do cathedral glasses flow ?, American Journal of Physics, May 1998, Volume 66, Issue 5, p.  392-395. Selon Zanotto, le temps de relaxation d'un verre serait supérieur à 1032 années, ce qui correspond à une durée dix mille milliards de milliards de fois supérieur à l'âge de l'Univers.

Références

  1. Définitions lexicographiques et étymologiques de « verre » du CNRTL.
  2. Article sur le verre dans le journal du CNRS
  3. Aurélien Ledieu, Les verres coulent-ils ?, Pour la Science, n°383, septembre 2009, p. 20
  4. Lire à ce sujet Le verre est-il un solide ou un liquide ?, de Philip Gibbs, octobre 1996.
  5. «window glasses may flow at ambient temperature only over incredibly long times, which exceed the limits of human history. » Edgar Dutra Zanotto, Do cathedral glasses flow?, American Journal of Physics, May 1998, Volume 66, Issue 5, p.  392-395.
  6. Michel F. Ashby, D. R. H. Jones, Matériaux, Dunod, coll. «Sciences Sup», 1981 .
  7. (de) Horst Küchling, Taschenbuch der Physik, Harri Deutsch Verlag, Francfort, 1985 .
  8. G. Pissarenko et al. , Aide-mémoire de résistance des matériaux, éd. Mir, Moscou, 1979 .
  9. http ://www. glassproperties. com/fr/
  10. N. T. Huff, A. D. Call : Computerized Prediction of Glass Compositions from Properties ; J. Am. Ceram. Soc., vol.  56, 1973, p.  55-57.
  11. http ://www. sciglass. info/
  12. http ://www7. big. or. jp/∼cgi19786/ngf/indexe. html
  13. http ://www. leverrefluore. com/
  14. [pdf]
  15. Les renforts fibreux sont caractérisés par leur grammage (poids de fibres au m2).
  16. Nomenclature de la Bibliothèque nationale de France
  17. Lire le conte de Charles Perrault

Voir aussi

Liens externes

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"Quelle quantité de verre ?"

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