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Digeste de la construction au Canada, 1981-08-01
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Utilisation de plastiques dans le domaine du vitrage et de l'éclairage
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction. Conseil national de
recherches Canada
CBD-213-F
Utilisation de plastiques dans le domaine du vitrage et de
l'éclairage
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
Publié à l'origine en août 1981. A. Blaga
Certaines matières plastiques constituent des matériaux avantageux dans le domaine du vitrage et de l'éclairage en raison de leur faible densité, de leur facilité de manipulation et d installation, de leur transmission lumineuse élevée et de leur résistance accrue au bris. Les plastiques offrent aussi plus de latitude au niveau de la conception que le verre. Les
concepteurs ne sont plus limités par la planéité qu'imposait le verre et peuvent maintenant réaliser des fenêtres dont la surface est courbe ou de forme particulière. Au départ, les panneaux translucides en plastique sont habituellement plus coûteux que ceux en verre, mais le remplacement de ces derniers par des panneaux translucides en plastique résistant aux bris s'avère plus sûr et moins coûteux.
Caractéristiques générales
Voici certaines des caractéristiques générales qui font des plastiques des matériaux de vitrage vraiment uniques:
Caractéristiques optiques - Les thermoplastiques et les plastiques thermodurcissables peuvent être parfaitement transparents ou totalement opaques ou encore présenter une capacité de transmission lumineuse comprise entre ces deux extrêmes. La quantité totale d'énergie solaire transmise peut atteindre 90 pour cent, dont 92-93 pour cent dans la bande du visible (400 à 750 nm).
La transmission dans le visible, l'ultraviolet (UV) et l'infrarouge (IR) dépend de la longueur d'onde du rayonnement et peut être modifiée dans une grande mesure en variant la composition. Ainsi, la transmission dans la bande UV peut être accrue pour tirer avantage d'effets comme la destruction de germes, ou elle peut être diminuée à zéro par l'addition d'un anti-UV afin de retarder la dégradation photochimique du plastique. De même, on peut, selon la composition, faciliter la transmission ou l'absorption d'une part considérable du rayonnement IR qui véhicule de la chaleur. Tout comme le verre, la plupart des plastiques incolores utilisés comme panneaux translucides produisent un effet de «serre chaude» car le rayonnement solaire absorbé, puis transformé en chaleur, n'est pas retransmis à l'extérieur de l'enceinte. Le sol, les plantes et les éléments de structures à l'intérieur de la serre absorbent cette chaleur durant le jour et l'irradient de nouveau sous forme d'énergie thermique pendant la nuit. L'enceinte (en verre ou en plastique) s'oppose au passage du rayonnement IR vers
l'atmosphère extérieure, ce qui constitue une source de chaleur faible, mais non négligeable, permettant de réduire l'ensemble du coût de fonctionnement de la serre. Les plastiques incolores tout comme le verre sont très largement utilisés dans la construction de serres
chaudes, car la capacité de transmission lumineuse et de rétention thermique de ces deux matériaux est à peu près la même.
Facilité de mise en forme - Les plastiques offrent de très nombreuses possibilités au niveau de la conception. On peut ainsi réaliser facilement et à un faible coût toute sorte de formes bidimensionnelles ou tridimensionnelles parfaitement adaptables à l'édifice auquel elles sont destinées.
Résistance au choc - Étant donné leur résistance au choc supérieure à celle du verre, on recommande l'utilisation de plastiques dans des applications où la résistance aux bris ou aux vibrations est nécessaire. Même si certains plastiques présentent une bonne résistance au choc (tableau 1), ils ne sont pas incassables, Même s'il y a eu bris à la suite d'un solide coup
(comme celui produit lorsqu'on projette une brique), le matériau plastique se brise en gros morceaux aux bords non tranchants, plutôt qu'en fragments très coupants. En outre, la légèreté des plastiques confère peu d'impulsion aux éclats et diminue ainsi le risque de blessures. En vertu de la norme américaine régissant les matériaux de vitrage de sécurité, on utilise des plastiques dans des domaines auparavant réservés au verre trempé ou au verre de sûreté laminé, par exemple aux endroits sujets aux bris dans des immeubles résidentiels, commerciaux ou publics. La norme canadienne la plus récente régissant les panneaux de vitrage de sécurité en plastique porte le numéro CAN 2-12.12-M792.
Tableau 1. Propriétés caractéristiques* des matières plastiques de vitrage
Matériau de
vitrage Densité (ASTM D792) Coeffient d'expansion thermique (ASTM D696) 10 -5/°C Transmission lumineuse dans le visible Résistance à la traction (ASTM D638), MPa Résistance au choc (spécimen à rainures), J/m (ASTM D256, essai Izod) Module en flexion (ASTM D790), GPa PMM (acrylique) 1.19 3.1 91-93 72 21-27 2.4-3.4 Polycarbonate 3.8 3.8 82-89 62-72 640-860 2.2-2.6 PRV** 1.40-1.60 3.4-4.4 76-85 76-117 430-1070 50-100 PVC (RIGIDE) 1.30-1.40 5.0-10 76-89 38-62 13-64 2.60-3.7 Plaque de verre (verre calcico-sodique) 2.46-2.49 0.85 88-90 -- friable
--* Les matériaux diffèrent d'un fabricant à l'autre; c'est pourquoi les données ne doivent servir que d'indications.
** Plaques de vitrage transparentes et translucides renforcées de fibres de verre (25-35% en niasse) sous forme de mat à fils coupés.
Matériaux de
vitrage Caractéristiques générales* Inflammabilité* taux de combustion
mm/min (ASTM D635)
Principales applications
PMM
(acrylique) L'un des plastiques les plus résistants aux intempéries. 25-33 Vitrages d'usines, d'écoles et autres bâtiments publics où l'utilisation de verre est plus coûteuse en raison des risques élevés de bris; vitrages dans des endroits considérés risqués; vitrage de lucarnes faîtières, de grandes baies vitrées pour centre d'achats et
restaurants. Polycarbonate Thermoplastique très résistant
au choc, assez résistant aux intempéries lorsqu'il est bien stabilisé.
Auto-extinguible Vitrage de sécurité, cloisons, portes transmettant la lumière, lucarnes faîtières, écrans protecteurs, vitrage pour fenêtres de sous-sol, v itrin es de magasins. Vitrage de bâtiments présentant un risque élevé de bris.
PRV Plastique thermodurcissable, relativement dur et résistant, bonne résistance au choc dans une large gamme de
températures; fluage relativement faible.
18-51 Utilisation de panneaux de PRV transparents ou
translucides (habituellement ondulés) pour lucarnes faîtières, carreaux de plafonds, toitures transparentes, cloisons intérieures, verrières. PVC (rigide) Thermoplastique disponible
dans toute une gamme de couleurs sous forme de plaques et feuilles extrudées, planes ou ondulées (dans les qualités translucides ou
transparentes). Moins résistant aux intempéries que le PC et beaucoup moins que le PMM.
Auto-extinguible. Produit cependant des émanations toxiques dans les flammes intenses.
Utilisé dans le domaine du vitrage et de l'éclairage pour vitrage industriel, lucarnes faîtières, courts de tennis intérieurs, auvents, baies vitrées, plafonds lumineux, diffuseurs de lumière. Plaque de verre (verre calcico-sodique) Produit inorganique. Très résistant au rayage et très peu résistant au choc.
Ne brûle pas et ne fond pas dans une flamme.
Vitrage.
* Tous les plastiques de vitrage sont attaqués par des acides oxydants forts.
** Les plastiques sont des produits organiques; la plupart sont donc combustibles; se reporter aux directives du fabricant quant à la résistance réelle au feu.
Matières plastiques utilisées couramment comme matériaux de vitrage
Les plastiques les plus couramment utilisés dans le domaine du vitrage sont: les acryliques le polycarbonate (PC), le poly(chlorure de vinyle) (PVC) et le polyester renforcé de fibres de verre (GRP). Les propriétés typiques et les applications des principaux plastiques utilisés comme matériaux de vitrage sont indiquées dans les tableaux 1 et 2.
Les acryliques - Le terme acrylique désigne une famille de plastiques (Digest de la construction au Canada,176;158) dont le produit le plus important et le plus largement utilisé est le poly(méthacrylate de méthyle) (PMM). Les feuilles de PMM, l'un des plastiques les plus
résistants aux intempéries, sont fabriquées dans de nombreux pays sous diverses marques de commerce, par exemple Lucite, Plexiglas, Perspex et Oroglas. Les acryliques utilisés pour leur capacité de transmission lumineuse sont fabriqués par coulée en cellules, procédé consistant à couler du méthacrylate de méthyle additionné d'un catalyseur, entre des cellules en verre à vitre puis à effectuer une thermo-polymérisation jusqu'à 120°C (248°F). Ce sont les feuilles de ce type qui, estime-t-on, présentent les meilleures caractéristiques globales de toutes formes de plaques réalisées en acrylique, notamment la clarté optique.
Le PMM et les autres acryliques offrent une bonne résistance à de nombreux produits
chimiques, y compris la résistance au brouillard salin et aux atmosphères corrosives, mais ils sont attaqués par les hydrocarbures aromatiques, les esters, les cétones et les éthers. Le PMM sert de matériau de vitrage dans les usines, les écoles et autres bâtiments sujets à un taux élevé de bris (habituellement en raison du vandalisme) et où l'utilisation de panneaux en verre s'avère donc très coûteuse. Ces endroits sont munis de vitrages en PMM de façon à satisfaire aux exigences relatives aux vitrages de sécurité. Les aéronefs militaires et commerciaux sont depuis longtemps dotés de vitres en PMM. Les panneaux en acrylique teintés permettent de diminuer l'apport de chaleur par transmission du rayonnement solaire à travers les vitrages. Dans le domaine de la construction, les acryliques entrent dans la fabrication de vitrages de lucarnes faîtières, de grandes baies vitrées pour centre d'achats, restaurants et piscines. Le polycarbonate (PC) - Le PC de qualité ordinaire présente un coefficient d'élasticité relativement élevé, une bonne stabilité dimensionnelle, une bonne résistance aux
déformations, un faible facteur d'absorption d'eau et une résistance élevée aux chocs (tableau 1). Sa capacité de transmission lumineuse relativement élevée (82 à 89 pour cent) et sa résistance élevée lui confèrent toute une gamme d'applications difficiles, dont vitrages de sécurité, portes translucides, cloisons, lucarnes faîtières, vitrage de fenêtres pour écoles, hôpitaux, usines, devantures de magasins et bâtiments à risques de bris élevés; on l'utilise aussi dans les écrans protecteurs translucides pour appareils et pour le vitrage des bâtiments de camps de vacances pour enfants. En raison de leur résistance à la chaleur, de leur bonne résistance au vieillissement naturel et de leur transparence relativement élevée, les PC sont de plus en plus utilisés dans des applications d'éclairage de bâtiments commerciaux et
résidentiels. Parmi ces utilisations, on compte: globes de réverbères, éclairages d'aéroports, diffuseurs de lumière pour les routes, luminaires fixes à l'intérieur ou à l'extérieur des maisons. Les feuilles de polycarbonate à usage extérieur sont additionnées d'un stabilisant pour ré sister aux effets de la lumière solaire. Cependant elles jaunissent après une exposition pro longée à l'extérieur et il se produit sur le côté directement exposé une microfissuration superficielle, accompagnée d'une diminution impor tante de la résistance aux chocs.
Le polyester renforcé de fibres de verre (PRV) - Le PRV est constitué d'une résine polyester thermodurcissable (Digest de la construction au Canada, nos159et205) renforcée habituelle ment par 25 à 35 pour cent en masse de fibres de verre. Dans les matériaux destinés à transmettre la lumière, le renforcement en fibres de verre est en forme de mat à fils coupés. Les feuilles de PRV ont de nombreuses applications dans le domaine du vitrage et de l'éclairage à cause de leur légèreté, de leur transmission lumineuse qui est élevée (jusqu'à 85 pour cent), de leur dureté et de leur résistance au choc dans une large gamme de températures.
Les panneaux de PRV transparents et translucides (généralement ondulés) sont largement utilisés pour leur capacité de transmission lumineuse dans les châssis vitrés de toitures, les carreaux transparents de plafonds, les vitrages de wagons, les patinoires, les piscines et les bâtiments agricoles. On a mis au point un type particulier de PRV pour le revêtement des capteurs solaires plans3. Même si les PRV à usage extérieur sont additionnés d'un stabilisant destiné à résister aux UV du rayonnement solaire, les produits commerciaux courants sont encore détériorés par les intempéries. La détérioration cause la discoloration, le défibrage, la formation de micro-craquelure en surface micro-fissuration superficielle, un abaissement de la transmission lumineuse et un accroissement de la fragilité. La durée de la performance
adéquate pendant le service dépend de la formulation, du degré de stabilisation, de la méthode de fabrication et de la nature du fini de surface.
Le poly(chlorure de vinyle) (PVC) - Le PVC est le plastique le plus économique. Le PVC rigide se présente sous forme de plaques et feuilles extrudées, planes ou ondulées, transparentes ou translucides. Le PVC incolore est moins résistant au vieillissement que le polycarbonate et beaucoup moins que les acryliques. La diversité de couleurs possibles augmente le nombre d'applications dans le domaine décoratif et permet également de régler l'intensité de la lumière solaire à l'intérieur des habitations. Dans le domaine du vitrage et de l'éclairage, on emploie le PVC pour les lucarnes faîtières et les verrières, les vitrages des courts de tennis et des piscines intérieurs, des cabanes et des vérandas. Le formage sous vide des feuilles de PVC permet d'accroître encore plus le nombre d'applications de ce matériau, (vitrages d'usines et diffuseurs texturés pour lumières).
Durabilité
Les propriétés optiques des plastiques se détériorent avec l'abaissement de qualité de la couche superficielle, la discoloration de la résine ou le changement de couleur des pigments ou des colorants ajoutés. Cet abaissement de qualité de la surface peut être dû aux rayures faites durant l'utilisation ou causé par plusieurs types de détérioration des couches superficielles provoquée par les effets de l'ambiance. Ce sont les rayures qui constituent les principaux endommagements superficiels des feuilles et des plaques en plastiques à usage intérieur; elles peuvent être causées par des particules atmosphériques de dureté supérieure à celle des plastiques utilisés pour les vitrages ou l'éclairage. Des particules dures peuvent également causer des rayures lors du nettoyage.
Les nombreux efforts visant à accroître la dureté superficielle des plastiques comportaient habituellement l'application d'une mince couche d'une substance dure et transparente (par exemple de la silice ou de quartz), d'une pellicule ou d'un revêtement à base de silicone ou de résine mélamine-formaldéhyde. Toutefois, ces différentes applications sont parfois limitées en raison des méthodes utilisées pour leur réalisation, et de l'incompatibilité de certaines de leurs propriétés telle que la dureté, la fragilité et les coefficients d'expansion thermiques avec les propriétés correspondantes du substrat en plastiques.
Le vieillissement naturel entraîne souvent une détérioration des propriétés optiques à cause de la discoloration, formation de piqûres en surface, formation de craquelures, microfissuration, érosion superficielle, exsudation ou lessivage des constituants, défibrage (dans les PRV) et de la dégradation chimique et/ou photo-chimique. La figure 1 démontre les effets du vieillissement sur la transmission lumineuse des trois plastiques le plus couramment utilisés dans le domaine du vitrage et de l'éclairage. Les conditions atmosphériques ont peu d'effet sur la transmission lumineuse du PMM dans la bande visible, comme en témoigne le comportement du vitrage extérieur d'un panneau de 11 ans et demi. Un matériau de vitrage commercial en
polycarbonate a subi, dans les mêmes conditions et pendant la même durée, un abaissement modéré de la transmission lumineuse dans la bande visible. Un abaissement important s'est produit dans la transmission lumineuse d'une plaque translucide de PRV exposée à l'extérieur (à 45°, orientation au sud). Les propriétés de résistance mécanique (par exemple résistance à la traction et résistance au choc) de nombreux plastiques subissent une détérioration à la suite d'une exposition prolongée à l'extérieur.
Figure 1. Effets du vieillissement par exposition aux intempéries sur la transmission lumineuse des plastiques.
Les plastiques sont relativement tendres et généralement solubles dans certains liquides organiques; c'est pourquoi il y a lieu de suivre à la lettre les recommandations du fournisseur relatives au nettoyage.
Comportement au feu
Les plastiques sont combustibles et se ramolissent à la chaleur. Il ne faut pas les utiliser comme pare-feu à la place d'un verre armé. Il est nécessaire d'observer les mesures de sécurité lors de la conception, lorsqu'on prévoit utiliser ces matériaux dans le domaine du vitrage et de l'éclairage. Lorsque la résistance au feu est déterminée par la méthode ASTM D635, le PMM a un taux de combustion (mm/mn) de 25-33, GRP, 18-51; le PC et le PVC rigide (non plastifié) sont considérés comme étant autoextinguibles. Le PVC rigide est considéré comme étant un des plastiques le plus ignifuge. Néanmoins, dans un incendie intense, le PVC se décompose et dégage des gaz toxiques et irritants (notamment du HCI et du CO).
Références
1. American National Standard Safety Performance Specifications and Methods of Test for Safety Glazing Materials Used in Buildings, Z97.1.1975. American National Standards Inst., Inc., New York.
2. CAN 2-12. 12-M79. Panneaux de vitrage de sécurité en plastique. Office des normes du gouvernement canadien, septembre 1979.
