Processus d’élaboration de la mousse de verre
II. Procédé de fabrication
II. Procédé de fabrication
A travers cette première partie, nous allons développer le procédé de fabrication mis au point au laboratoire pour la fabrication de matériaux à structure cellulaire.
II.A. La matière première
Le procédé de fabrication retenu pour l’élaboration de notre matériau à structure cellulaire nécessite la présence de poudre de verre et d’un réducteur, à savoir le nitrure de titane ou le carbure de silicium.
II.A.1. La poudre de verre
Les verres de TRC, préalablement séparés en verre de cône et de dalle, sont réduits à l’état pulvérulent par concassage puis broyage. Le concassage est effectué manuellement de sorte
que les morceaux de verre soient de dimensions adaptés au broyeur (0,5 à 1,5 cm3).
Le broyeur à mortier utilisé est de type Retsch RM100. Cette étape est suivie par un tamisage, tamis de type Retsch AS 200 Basic, effectué à l’aide d’une série de tamis normalisé, norme AFNOR NFX 11504. La maille des tamis utilisés vont de 1mm à 63µm. On obtient ainsi une poudre de granulométrie inférieure ou égale à 63µm.
II.A.2. Le réducteur
II.A.2.a. Le nitrure de titane (TiN)
La poudre de nitrure de titane utilisée est produite par la société Alfa Aesar (référence
014510). La pureté de la poudre est de 99,8% et la masse volumique est de 5,22 g.cm-3. La
granulométrie de cette poudre est inférieure à 10 µm.
II.A.2.b. Le carbure de silicium (SiC)
La poudre de carbure de silicium utilisée est produite par la société Aldrich Chemical
Company (référence 409-21-2). Sa masse volumique est de 3,23 g.cm-3. La granulométrie de
cette poudre est inférieure à 63 µm.
II.A.3. L’oxydant
L’oxydant utilisé pour la fabrication de verre expansé est l’oxyde de magnésium (MgO). Cet oxyde est déjà présent dans le verre en tant que modificateur de réseau dans les proportions 0,2% en masse dans le verre de dalle couleur et 1,8% en masse dans le verre de cône couleur (cf. chapitre I, §.III.B.1, tableau I.2).
La poudre d’oxyde utilisée est produite par la société Aldrich Chemical Company (référence
1309-48-4). Sa masse volumique est de 3,58 g.cm-3.
II.A.4. Détermination de la distribution des tailles de particules
Afin de valider les informations concernant la taille des particules des poudres entrant dans la préparation des mousses de verre, il a été effectué des mesures de granulométrie par granulométrie laser.
Le granulomètre utilisé est de type Malvern Instruments avec module Hydro 2000MU couplé à un logiciel de traitement des données Mastersizer 2000. Les poudres analysées sont le carbure de silicium, le nitrure de titane et les poudres de verre, poudre de verre de cône et poudre de verre de dalle. Le dispersant utilisé pour ces essais est l’eau, il n’a pas été nécessaire d’utiliser un défloculant.
La figure II.1 met en évidence la distribution des tailles des particules des différentes poudres analysées. 0,01 0,1 1 10 100 1000 Distribution de la taille des particules (µm)
Pop ulation de particules poudre dalle poudre cône poudre TiN poudre SiC
Fig.II.1 : Distributions de taille de particules en fonction de leur population pour SiC, TiN, cône et dalle.
Le tableau II.1 permet d’exploiter les courbes de la figure II.1 et de montrer l’écart entre la granulométrie mesurée par cette technique et la granulométrie annoncée par les fabricants de poudre. 10% des particules 50% des particules 90% des particules Taille de particules annoncées Poudre SiC 10,6 µm 15,0 µm 23,4 µm < 63µm Poudre TiN 1,3 µm 1,9 µm 4,6 µm < 10µm Poudre cône 1,4 µm 2,1 µm 4,5 µm < 63µm Poudre dalle 1,3 µm 2,0 µm 4,2 µm < 63µm
Tab.II.1:Résultats des populations de particules en µm.
Le tableau II.1 montre d’une part que les granulométries des poudres des verres de cône et de dalle sont très proches l’une de l’autre. D’autre part, les résultats concernant les réducteurs vérifient bien les données annoncées par les fabricants de poudres à savoir que la granulométrie du carbure de silicium est inférieure à 63µm avec une distribution moyenne de
tailles de particules de 15µm et que la granulométrie du nitrure de titane est inférieure à 10µm avec une distribution moyenne de tailles de particules de 2µm.
D’un point de vue bibliographique, on a peu d’information concernant la granulométrie des poudres de verre et de réducteur (tableau II.1). Seul un des trois brevets CERNIX fait état d’une granulométrie d’environ 50 µm pour la poudre de verre et de moins de 50 µm pour le réducteur [GAR98]. De ce fait, l’importance de la granulométrie de ces poudres n’a pas été étudiée mais il a été montré que pour des poudres de granulométrie inférieure à 15 µm il y avait peu d’influence sur la réalisation des mousses cellulaires et notamment sur la porosité. Pour des granulométries supérieures à 15 µm, il a été constaté une diminution significative de la porosité en fonction de la taille des particules [TAS91]. Dans notre étude, on se placera dans le cas de particules dont la taille est inférieure à 15 µm, résultats confirmés par granulométrie laser.
II.B. Etapes de fabrication
Les étapes de fabrication du verre expansé sont présentées dans le synoptique de la figure II.2. Ce dernier permet d’avoir un aperçu général du processus d’élaboration mais il convient de développer chaque étape de façon plus précise.
II.B.1. Démantèlement du moniteur – Séparation du cône et de la dalle
Afin de permettre un recyclage du verre de tube à rayon cathodique, il est indispensable de séparer les différentes pièces qui composent le moniteur par catégories de matériaux de façon à isoler le verre de tube. Cette étape de séparation est mise en évidence figure I.1 (cf.chapitre I, §.II.A). Verre, plastique, câbles et cartes sont séparés dans cette étape.
Ensuite, il est nécessaire de séparer le verre de dalle du verre de cône. Pour cela, il est utilisé une machine de type « Vycor » permettant par choc thermique (à une température légèrement supérieure à la température de transition vitreuse du verre) une coupure fine et précise. La séparation est effectuée juste en dessous de la jointure cône - dalle, de sorte à ne pas introduire de plomb dans la partie verre de dalle.
Le verre est alors nettoyé des luminophores, qui recouvrent la partie interne du verre de dalle, par aspiration puis il est retiré le cache interne en aluminium. Le verre de cône est séparé au niveau du col du canon à électrons, de sorte qu’en fin de démantèlement il ne reste plus que le
II.B.2. Préparation du mélange pulvérulent
Le verre est concassé puis broyé, de façon indépendante, jusqu’à obtention d’une poudre fine (cf. §.III.A.1). L’étape de tamisage permet d’obtenir une poudre de granulométrie inférieure à 63 µm. À cette poudre de verre, on ajoute le réducteur qui peut être soit le nitrure de titane soit le carbure de silicium et un oxydant qui est dans les deux cas l’oxyde de magnésium. Le réducteur est introduit dans des proportions allant de 1 à 30% massique, et l’oxydant est introduit en respectant un rapport % oxydant / % réducteur = 0,75 dans le cas de TiN et 0,6 dans le cas de SiC.
Afin de permettre une étude la plus complète possible, 3 types de mousse seront élaborés :
•
Mousse à base de verre de cône,•
Mousse à base de verre de dalle,•
Mousse à base de mélange cône dalle, mélange effectué en respectant la compositionmassique du moniteur à savoir 2/3 de verre de dalle – 1/3 de verre de cône.
II.B.3. Préparation du pré-compact
A partir du mélange pulvérulent obtenu, composé du verre, du réducteur et de l’oxydant, on forme un pré-compact par pressage uniaxial à froid. On ajoute un liant aqueux contenant de la gomme arabique, introduit à hauteur de 1% en masse puis on forme la pastille après avoir rendu le mélange le plus homogène possible. Le pressage se fait entre 300 et 400 MPa. Ensuite, la pastille est placée dans une étuve, à température comprise entre 80 et 100°C pendant 120 à 180 minutes de sorte à bien évaporer l’eau du liant après le compactage.
II.B.4. Traitement thermique
Le traitement thermique se fait dans un four électrique traditionnel avec une prise d’air direct sur l’extérieur. La température de chauffage dépend des conditions opératoires, elle s’effectue entre 700 et 1200°C pendant 30 à 180 minutes suivant les propriétés du verre expansé que l’on désire obtenir.
On obtient ainsi une mousse de verre, matériau ayant une expansion en diamètre et en épaisseur entre 50 et 150%.
Séchage en étuve 120’ < t < 180’, 80°C < T < 100°C Mélange Verre de TRC – Réducteur (1% < %TiN - SiC < 30%) – Oxydant (%MgO = 3%) Traitement thermique 30’< t < 180’, 750°C < T < 1000°C Mousse à base de mélange cône/dalle
Ajout du liant (1%w.t.) et pressage uniaxial à froid (300MPa<P<400MPa) Séparation du cône et de la dalle