Les différentes substances utilisées pour la préparation des complexes de verre sont collectivement appelées matières premières verrières. La matière première principale est celle qui introduit divers oxydes dans le verre pour former la structure principale de celui-ci, déterminant ainsi ses propriétés physico-chimiques fondamentales. Les principales matières premières sont le sable de quartz, le feldspath, le calcaire, la dolomite, le carbonate de sodium, etc. Actuellement, ces matières premières sont généralement fournies sous forme de poudre. (1) Matières premières de silice : la principale matière première de silice est le sable de silice (également appelé sable de quartz), qui peut être classé en sable de silice naturel et sable de silice transformé selon son état naturel. En raison de la complexité de son processus de formation, la composition chimique du sable de silice naturel fluctue souvent considérablement, mais sa granulométrie est relativement uniforme. Pour garantir la qualité du sable de silice naturel, il convient de contrôler sa composition chimique, ses variations et sa teneur en minéraux réfractaires. La composition chimique détermine principalement la teneur en Fez 03 et le sable est classé et utilisé en fonction de sa qualité. Le classement de la qualité du sable siliceux est indiqué dans le tableau 2-16.2). Le traitement du sable siliceux consiste à transformer du minerai brut de quartz ou de grès en matières premières siliceuses par un procédé spécifique. La pureté généralement élevée du minerai de quartzite ou de grès entraîne une faible teneur en impuretés, stable, et donc une qualité supérieure et stable du sable siliceux produit. Cependant, le contrôle de la granulométrie du minerai de quartzite ou de grès jusqu'à l'obtention d'un sable siliceux disponible avec une taille de grain précise est complexe, ce qui engendre un coût élevé. Le sable siliceux est généralement traité par voie humide, avec un taux d'humidité déterminé. C'est un matériau très difficile à fondre. La taille, la distribution et la forme des particules ont une influence importante sur le mélange, la fusion et l'homogénéisation du composite. Plus la taille des particules est fine, mieux c'est pour la fusion du verre. La présence d'agglomérats et de grands espaces vides dans le sable siliceux peut entraîner la formation de poudre. La formation de microbulles due à une fusion difficile, ainsi que la présence de poudre de sable siliceux, peuvent entraîner une réaction prématurée avec des matériaux tels que le sodium, le calcium et le magnésium. Cette réaction peut générer une fusion primaire de densité et de viscosité élevées, favorisant la formation de couches dans le four et affectant d'autres matières premières réfractaires. Il est préférable d'opter pour des grains de sable de forme angulaire, car leur surface spécifique est plus importante, ce qui augmente les possibilités de contact avec le fondant et limite la formation de couches lors du mélange et du transport. Le sable siliceux doit être contrôlé et approuvé sur le site minier. Son taux d'humidité doit être inférieur à 8 % lors de la production du minerai et à 5 % lors du chargement du sable en atelier. La valeur de fluctuation de l'humidité est de 0,4 %. Le tableau 2-17 présente les exigences de qualité des matières premières siliceuses. (2) La teneur en Al₂O₃ dans le verre ordinaire est généralement de 2,0 % à 5,0 %. Les bouteilles en verre blanc de haute qualité contiennent principalement de l'Al₂O₃, composé d'alumine et d'hydroxyde d'aluminium. Cependant, les exigences de qualité sont moins élevées pour le verre d'emballage et le verre coloré. On peut également utiliser du feldspath sodique, potassique ou calcique pour obtenir un Al₂O₃ spectaculaire. De plus, une partie du feldspath Na₂O₃ ou K₂O₃ peut remplacer une partie du carbonate de sodium, ce qui est avantageux pour le système de fusion du verre. Toutefois, la teneur en fer dans le feldspath est généralement élevée (Fe₂O₃ est très faible, inférieur à 0,1 %). Par conséquent, il ne peut être utilisé que pour le verre ordinaire des bouteilles et des canettes, et non pour le verre de qualité supérieure. Le feldspath, selon sa composition, La composition chimique se divise en quatre types de feldspath : potassique, sodique, calcique et baryum. Dans la nature, les gisements de ces quatre feldspaths sont rares et ils sont généralement mélangés à d'autres minéraux en proportions variables. Le tableau 2-18 répertorie les exigences de qualité des matériaux feldspathiques. (3) Le Na₂O, matière première de l'oxyde de sodium, est un excellent fondant pour le verre. Par conséquent, la teneur en Na₂O dans la composition chimique des bouteilles et canettes en verre est étroitement liée aux conditions de fusion du verre et se situe généralement entre 14 % et 16 % actuellement. Le Na₂O présent dans le verre des bouteilles provient principalement du carbonate de sodium (Na₂CO₃). Le carbonate de sodium est une matière première chimique dont le principal composant est le Na₂CO₃. On distingue le carbonate de sodium cristallin (Na₂CO₃·10H₂O) et le carbonate de sodium calciné (Na₂CO₃). La majeure partie du carbonate de sodium utilisé dans l'industrie verrière est du carbonate de sodium calciné sans eau cristallisée, obtenu par le procédé alcalin à l'ammoniaque. Ce carbonate de sodium calciné se présente sous forme de poudre blanche, facilement soluble dans l'eau et absorbant l'humidité de l'air, ce qui entraîne une déliquescence et un agglomérat. Il doit donc être stocké dans un entrepôt sec. Le carbonate de sodium est un facteur déterminant du coût du verre. Pour le verre à bouteilles, on privilégie un carbonate de sodium lourd. Comparé au carbonate de sodium léger, il offre une meilleure fluidité, une hygroscopicité supérieure et une moindre tendance à l'envol et à la stratification, ce qui améliore l'homogénéité et la vitesse de fusion du mélange. Cependant, des particules de carbonate de sodium trop grosses ne permettent pas une fusion homogène avec les autres matériaux réfractaires, ce qui nuit à la qualité de la fusion et à la clarté du verre. La granulométrie optimale se situe donc entre 0,22 et 0,42 mm. Le carbonate de sodium (NaCl) est stocké longtemps et contient souvent 5 à 8 % d'eau. Son taux d'humidité doit être contrôlé régulièrement avant utilisation. La volatilisation du carbonate de sodium pendant la fusion du verre est de 0,5 à 3,2 %. Le carbonate de sodium calciné contient souvent une faible quantité de NaCl. Or, le chlore étant très réactif, il provoque une érosion importante des réfractaires. L'accumulation de chlore dans la solution vitreuse, notamment lorsque la quantité de carbonate de sodium est importante, a récemment suscité l'intérêt de l'industrie. (4) Le rôle de l'oxyde de potassium (K₂O) dans le verre est similaire à celui du Na₂O. Dans la production de verre pour bouteilles et canettes, une petite quantité de K₂O est utilisée en remplacement partiel de Na₂O, ce qui permet d'augmenter l'indice de réfraction du verre et d'améliorer la brillance et la transmittance des produits. La stabilité chimique de deux oxydes alcalins dans le verre est supérieure à celle d'un seul oxyde alcalin. Il existe un rapport optimal entre les deux, phénomène appelé effet de base mixte. L'influence de K₂O sur le coefficient de dilatation thermique du verre est plus importante que celle de Na₂O. Par conséquent, lors du remplacement partiel de Na₂O par K₂O, il convient de tenir compte de l'influence sur le coefficient de dilatation thermique du verre. Dans le verre pour bouteilles, le K₂O est généralement obtenu par calcination du carbonate de potassium. Lors de la fusion du carbonate de potassium dans le verre, la perte par volatilisation de K₂O représente environ 12 % de sa masse. Les exigences de qualité pour le carbonate de potassium sont les suivantes : K₂CO₃ < 96 %, Na₂O 40,2 %, KCl + K₂SO₄ 43,5 %, insoluble dans l’eau < 0,3 %, et soluble dans l’eau < 3 %. Le prix de la potasse étant supérieur à celui du carbonate de sodium, et en dehors des exigences spécifiques liées au verre pour bouteilles et canettes, la plupart des verreries de ce type de verre n’utilisent pas de potasse pour extraire directement l’oxyde de potassium, mais plutôt un mélange d’oxyde de potassium et de feldspath. (5) Introduction de l’oxyde de calcium : l’oxyde de calcium (CaO) dans le verre joue un rôle primordial de stabilisant, c’est-à-dire qu’il augmente la stabilité chimique et la résistance mécanique du verre. Cependant, une teneur trop élevée peut favoriser la cristallisation du verre et le rendre cassant. La teneur en CaO dans le verre ordinaire pour bouteilles est de 7 % à 11 %, et généralement inférieure à 12,5 %. À haute température, le CaO peut réduire la viscosité du verre. Le verre favorise sa fusion et sa clarification, mais lorsque la température baisse, sa viscosité augmente très rapidement, rendant le moulage difficile. Par conséquent, la teneur en CaO dans le verre doit être déterminée en tenant compte non seulement de son influence sur les propriétés du verre, mais aussi de la méthode de moulage et d'autres facteurs. Un verre à forte teneur en CaO doit être rapidement placé dans un four de recuit, sous peine de se briser. Lors de la fusion d'un verre sodocalcique, il est préférable d'obtenir un rapport NaO₂CaO₂ proche de 21. Les principales matières premières utilisées pour le verre de poterie sont le calcaire, la calcite et la craie. Le calcaire contenant 40,015 % de FeSO₃ est utilisé pour la production d'ustensiles et de verres blancs. Le calcaire contenant moins de 0,04 % de FeSO₃ est utilisé pour la production de verre coloré. La teneur en eau du calcaire doit être inférieure à 1 %. Lorsque la composition du verre exige une teneur très stricte en oxyde de fer, celui-ci peut être remplacé par de la calcite, beaucoup plus pure que le calcaire, mais aussi beaucoup plus coûteuse. (6) La quantité d'oxyde de magnésium (MgO) dans la composition chimique des bouteilles et canettes en verre est généralement inférieure à 2 %. L'utilisation partielle de MgO en remplacement partiel de CaO permet d'augmenter la viscosité à haute température du verre liquide, de ralentir sa prise, d'allonger sa durée de vie, d'améliorer ses propriétés de mise en forme et de réduire sa tendance à la cristallisation. Les oxydes de calcium, de magnésium et de métaux alcalino-terreux d'ordre 2 améliorent la stabilité chimique du verre et le protègent des moisissures, phénomènes qui peuvent survenir en milieu humide. En général, le taux de substitution doit être inférieur à 3 %, car un taux supérieur à 3 % affecte la fusion et la mise en forme du verre. On pensait autrefois que la dolomite et le calcaire à particules fines fondaient, mais des recherches plus approfondies sur Lors de la fabrication du verre à haute température, des particules de dolomite s'adsorbent autour des grosses particules de silice, empêchant ainsi le sable de participer à la réaction. Parallèlement, les particules de calcaire plus grossières, initialement non mouillées par la phase primaire, permettent à cette dernière de circuler librement entre les gros grains de dolomite, de calcaire et de sable siliceux, et de les mouiller, accélérant ainsi la réaction. Enfin, lors de la phase finale, les gaz libérés par leur décomposition et fusion rapides contribuent à la clarification et à l'homogénéisation du verre liquide. Il a été constaté que lorsque la taille des particules de dolomite et de calcaire atteint 2,5 mm, les propriétés de fusion et de clarification du verre s'améliorent significativement. En revanche, au-delà de 3 mm, ces propriétés se dégradent considérablement. Par conséquent, la taille des particules de dolomite et de calcaire doit être limitée. Actuellement, l'utilisation de dolomite et de calcaire à gros grains est une tendance. En production, lors du calcul de la formule du verre, la dolomite est utilisée pour introduire du MgO, et le calcium (CaO) insuffisant est complété par du calcaire ou de la calcite. Si la composition du verre ne contient pas de CaO, la dolomite ne peut être utilisée pour fixer le MgO ; il convient alors d'utiliser du carbonate de magnésium pour fixer le MgO. Les exigences de qualité pour la dolomite sont les suivantes : MgO ≥ 20 %, CaO < 32 %, Fe₂O₃ < 0,15 %. (7) L'oxyde de baryum (BaO) joue un rôle similaire à celui du CaO et du MgO dans la fabrication du verre. Cependant, les verres contenant du baryum et du CaO présentent un bon lustre et une densité élevée. On utilise généralement 0,5 % à 1 % de Bao dans la composition des verres à bouteilles colorés afin d'améliorer leur brillance. Le Bao accélère la fusion, la clarification et prévient la cristallisation du verre. Toutefois, un dosage trop important peut entraîner la réaction 2BaO → 10O₂, rendant la clarification difficile et provoquant une érosion accrue du creuset et des matériaux réfractaires. Le sulfate de baryum naturel (BaSO₄), également appelé barytine, contient de nombreuses particules et une forte teneur en impuretés. Son utilisation est donc limitée aux verres ne répondant pas à des exigences de qualité élevées. Le BaSO₄ est principalement utilisé dans les verres opaques fluorés et les verres imitant le jade pour les bouteilles, leur conférant une opacité relativement faible. Cependant, un usage excessif peut entraîner une altération des matériaux réfractaires, des creusets, des moules et de la qualité des produits, notamment pour la fabrication de verre à l'eau. Dans la production de verre pour bouteilles et canettes, on utilise généralement du carbonate de baryum industriel. Par ailleurs, les matières premières contenant du baryum présentent une certaine toxicité ; une attention particulière doit donc être portée à leur manipulation. Les exigences de qualité pour le carbonate de baryum industriel sont les suivantes : BaSO₃ 97 %, Fe₂O₃ 40,1 % et insoluble dans l'acide 3 %.
Date de publication : 14 avril 2020