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Laine de verre
La laine de verre est un matériau se présentant comme un matelas de fibres de verre extrêmement fines[1]. On l'utilise dans le bâtiment comme isolant thermique, isolant acoustique ou absorbant acoustique, ou pour la protection contre l’incendie.
À travers l'histoire, les fabricants de verre ont expérimenté les fibres de verre, mais la fabrication de laine de verre en masse n'a été possible qu'avec le développement des machines-outils. En 1893, Edward Drummond Libbey présenta un vêtement à la World Columbian Exposition incorporant des fibres de verre ayant le diamètre et la texture de fibres de soie. Ce qui est aujourd'hui connu sous le nom de laine de verre a été inventé, en 1938, par Russell Games Slayter, d'Owens-Corning, comme matériau pouvant être utilisé dans l'isolation thermique.
Sommaire
Fabrication
La laine de verre est fabriquée à partir de silice et est extrudée en de nombreuses fibres de fin diamètre utilisables dans la production textile. Le verre se différencie des autres polymères dans le sens où, même à l'état de fibre, il n'a que peu de structure cristalline (voir solide amorphe). Les propriétés de la structure du verre à son état simple sont très semblables à ses propriétés à l'état de fibre.
Une définition du verre est « une substance inorganique dans des conditions continues et analogues à l'état liquide d'une substance, mais qui, à l'issue d'un changement réversible dans sa viscosité pendant le refroidissement, a atteint un si haut degré de viscosité qu'il peut être considéré en pratique comme rigide. » (Loewenstein, 4)
La technique de chauffer et filer le verre en de fines fibres a été connue depuis des milliers d'années ; cependant, le concept consistant à utiliser ces fibres dans des applications textiles est plus récent.
La première production commerciale de fibres de verre date de 1936. En 1938, la Owens-Illinois Glass Company et la Corning Glass Works (actuelle Corning Incorporated) se sont associées pour créer la Owens-Corning Fiberglas Corporation. Jusqu'à cette époque, toutes les fibres de verre avaient été destinées à la fabrication d'agrafes. Lorsque les deux entreprises se sont unies pour produire et promouvoir la fibre de verre, elles ont introduit le filament continu de fibre de verre (Loewenstein, 2). Owens-Corning est toujours le principal fabricant de fibre de verre aujourd'hui.
Chimie
Les bases des fibres de verre pour le textile sont la silice, SiO2. Dans sa forme pure, elle existe en tant que polymère, (SiO2)n. Il n'a pas de véritable point de fusion mais s'amollit au-delà de 2 000 °C, température à laquelle il commence à se dégrader. À 1 713 °C, la plupart des molécules peuvent se mouvoir librement. Si le verre est alors refroidi rapidement, elles seront incapables de former une structure ordonnée (Gupta, 544). Dans le polymère se forment des groupes SiO44- qui s'arrangent en tétrahèdre avec l'atome de silice au centre, et les quatre atomes d'oxygène aux coins. Ces atomes forment alors un réseau cohérent aux coins, par le partage des atomes d'oxygène.
Les états vitreux et cristallin de la silice (verre et quartz) ont des niveaux d'énergie similaire sur une base moléculaire, ce qui implique que la forme verreuse est aussi extrêmement stable. Dans le but d'induire la cristallisation, il doit être chauffé à des températures supérieures à 1 200 °C pendant de longues durées (Loewenstein, 6).
Bien que la silice pure soit un verre parfaitement viable, il faut le travailler à de très hautes températures, ce qui est un inconvénient à moins que des propriétés spécifiques ne soient nécessaires. Il est habituel d'introduire des impuretés (d'autres matériaux) dans le verre afin d'abaisser sa température de travail.
Propriétés
Physiques
Les fibres de verres sont utiles en raison de leur fort rapport surface/poids. Cependant, l'ampleur de la surface les rend beaucoup plus vulnérables à des attaques chimiques.
Les résistances du verre sont habituellement testées et considérées comme des fibres « vierges » qui ont juste été fabriquées. Les fibres les plus fraîches et les plus fines sont les plus résistantes et l'on pense que c'est dû au fait qu'il est plus facile aux fibres les plus fines d'être flexibles.
Contrairement aux fibres de carbone, le verre peut supporter plus d'élongation avant de rompre (Gupta, 546).
L’élaboration de la laine de verre s’effectue à partir de sable et de verre recyclé ou calcin, par fusion et fibrage.
La viscosité du verre fondu est très importante. Durant le filage, la viscosité est relativement faible. Si elle est trop élevée, la fibre casse durant son filage. Si elle est trop faible, le verre formera des grumeaux et ne filera pas correctement.
En tant qu'isolant
La laine de verre est un isolant thermique. C'est-à-dire qu'il s'agit d'un matériau limitant le transfert de chaleur au travers de lui même, on peut l'opposer à un métal comme le cuivre qui est un conducteur thermique. On parle de conductivité thermique (grandeur notée λ ou k) pour quantifier cette capacité d'un matériau à transmettre la chaleur, elle s'exprime en W.m-1.K-1. La conductivité thermique de la laine de verre est de l'ordre de 0,035 à 0,040 W.m-1.K-1.
Son intérêt en tant qu'isolant varie selon les utilisations prévues :
- Ainsi, les résines phénoliques permettent une bonne isolation jusqu'à 120°C, alors que la laine de verre et la laine de roche permettent respectivement des isolations jusqu'à 260°C et 385°C[2].
- Comme isolant dans des containers isothermiques, son utilisation est limitée par son coût élevé, et sa difficulté de mise en place, en particulier dans un récipient isolé par le vide ; aussi n'est-il guère utilisé dans ce cas que pour de tout petits systèmes cryogéniques portables[3].
- À haute température, l'isolation par la laine de verre est limitée par la réaction exothermique libérée par la décomposition du liant[4]. Dans ce contexte les laines utilisées ne contiennent donc pas de liant, et nécessitent des précautions de pose particulière, le matériau n'ayant pas une grande stabilité mécanique.
Le conditionnement de la laine de verre prend la forme de rouleaux, panneaux et flocons selon l’accessibilité des parties à isoler, de la configuration de l’habitation et le confort d’isolation recherché dans l’habitation.
Sa structure poreuse et élastique permet d’affaiblir la transmission des bruits aériens, de chocs et d’assurer la correction acoustique à l’intérieur des locaux. Cependant, sa faible densité en fait un isolant phonique médiocre.
La capacité thermique est très faible, donc la laine de verre participe peu à l'inertie thermique, ce qui est plutôt un inconvénient l'été en zone tempérée, surtout si l'isolation est faite à l'intérieur des murs [5].
La réaction au feu est passive et performante puisque les laines minérales sont incombustibles par nature.
Inconvénients
Selon l'Agence Locale de l'Energie de l'agglomération lyonnaise, la durée de vie d'une isolation en laine de verre est de 10 ans. Elle souligne même qu'au bout de cette période, la laine de verre a déjà perdu la moitié de son épaisseur[6].
Pour mesurer l'impact environnemental d'un produit isolant, il faut prendre en compte l'intégralité du cycle de vie de ce produit, depuis l'extraction des matières premières jusqu'à la fin de vie (démolition par exemple). La laine de verre consomme plus d'énergie lors de sa fabrication que la plupart des isolants naturels tels que : Fibres de lin 30 kWh/ m³ ; fibres de chanvre 40 kWh/ m³ ; cellulose de bois 50 kWh/ m³ ; laine de mouton 55 kWh/ m³. La laine de verre nécessite une énergie grise de 250 kWh/ m³. (source Agence Locale de l'Energie de Lyon)
Les laines de verre commercialisées en Europe sont exonérées du classement cancérogène par le CIRC (Centre International de Recherche contre le Cancer) dépendant de l'OMS (Organisation Mondiale de la Santé). Cependant, la classification européenne de la laine de verre est R40 et R38, soit respectivement : "Effet cancérogène suspecté - preuves insuffisantes" et "irritant pour la peau"[6].
Un autre inconvénient de la laine de verre est sa faible densité, sa faible capacité calorifique massique, et donc sa faible inertie, lui conférant un très mauvais déphasage: Alors que des laines de bois ou la ouate de cellulose peuvent restituer la nuit la chaleur accumulée dans la journée, la laine de verre, elle ne peut stocker que très peu de chaleur. Ceci en fait également un mauvais isolant d'été, moment où l'inertie est primordiale.
La laine de verre a aussi une durée de vie très limité car le phénomène de tassement est très important.
De plus, la laine de verre est difficilement recyclable du fait de la présence de résines phénoplastes.
Processus de fabrication
L'utilisation finale des fibres de verre normales sont les matériaux d'isolation, de renforcement, de résistance à la chaleur, et résistance à la corrosion.
Pose de la laine de verre
Pour l'isolation de combles perdus, on déroule la laine de verre ou la laine de roche directement entre les solives, pare-vapeur vers le bas. Cette opération ne demande pas de préparation du substrat. Il est recommandé de disposer une seconde couche croisée (épaisseur à prévoir en fonction de la performance thermique visée). L'épaisseur de la première couche d'isolant sera identique à la hauteur des solives. Dans le cas d'une pose de deux couches il est recommandé de retirer le pare vapeur de la couche supérieure car cela permet une meilleure ventilation de la laine de verre afin de ne pas retenir l'humidité qui l'abime. A défaut il faudra mettre le pare vapeur de la couche supérieure vers le haut et la lacérer afin d'améliorer l'évacuation de l'humidité provenant de la condensation de la chaleur montant de l'habitation. Une méthode tierce, consiste -via un soufflage pneumatique à l'aide d'une cardeuse- à pulvériser de la laine de verre dans les combles afin d'obtenir un résultat uniformément réparti dans les diverses aspérités des combles (fermettes et autres boiseries); on parle de laine de verre "soufflée". Les avantages par rapport à la laine de verre déroulée résident principalement au niveau du temps de pose; fortement ecourté par ce procédé.
Pour l'isolation de combles aménageables, on dispose les panneaux ou rouleaux de laine de verre (avec ou sans pare-vapeur) sous la couverture, entre les chevrons ou fermettes (suivant la nature de la charpente). On prend soin de laisser une lame d'air entre les litteaux (supports de couverture) et l'isolant [minimum à respecter suivant la nature de la couverture - suivre les règles de l'art édictées par les DTU (Documents Techniques Unifiés)]. On pourra dérouler une seconde couche croisée d'isolant, que l'on fixera sur un contre chevronnage ou sur une ossature métallique. Le tout est protégé derrière des panneaux de finition (platre, lambris).
Toute la difficulté réside dans l'étanchéité à la vapeur d'eau. En effet, contrairement à des murs conçus pour évacuer la vapeur d'eau vers l'extérieur du bâtiment, les techniques de mise en oeuvre de la laine de verre oblige une étanchéité parfaite à la vapeur d'eau. C'est pour cette raison que le pare vapeur doit être d'une étanchéité irréprochable, sous peine que la laine de verre ne capte la vapeur d'eau intérieure et ne s'affaisse, perdant ses propriétés isolantes. La conception d'un mur "respirant" permettrait l'évacuation des vapeurs d'eau à l'extérieur, sans pour autant dégrader les propriétés isolants des matériaux, conçus pour cet usage, comme la ouate de cellulose ou la fibre de bois.
Notes et références
- ↑ Au Canada, on utilise le terme de fibres vitreuses artificielles.
- ↑ Sidney H. Goodman, Handbook of thermoset plastics, William Andrew, 1998, page 50
- ↑ Frank G. Kerry, Industrial gas handbook, CRC Press, 2007, page 196
- ↑ F. A. Govan, Francis A. Govan David M. Greason John D. McAllister United States Dept. of Energy Oak Ridge National Laboratory, Thermal insulation, materials, and systems for energy conservation in the '80s, American Society for Testing and Materials, 1983, page 757
- ↑ J-P Oliva
- ↑ a et b Fiche de la laine de verre de l'ALE
Voir aussi
Bibliographie
- Gupta, V.B. and V.K. Kothari; Manufactured Fibre Technology. Chapman and Hall. London. 1997.
- Loewenstein, K.L.; The Manufacturing Technology of Continuous Glass Fibers. Elsevier Scientific. New York. 1973.
- Lubin, George; Handbook of Fiberglass and Advanced Plastic Composites. Robert E. Krieger. Huntingdon NY. 1975.
- Mohr, J. G. and W. P. Rowe; Fiberglass. Van Nostrand Reindhold. Atlanta. 1978.
- Volf, Milos B.; Technical Approach to Glass. Elsevier. New York. 1990.
Articles connexes
- Fiberglass Molding
- Fibre de basalte
- Fibre de carbone
- Fibre optique
- microsphère de verre
- Ouate de cellulose
Liens externes
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