Pyrex

Contexte

Le verre pyrex est un verre borosilicate produit pour la première fois par la société The Corning Glass Works. Il est fabriqué en chauffant des matières premières comme le sable de silice et l’oxyde borique à des températures extrêmement élevées pendant de longues périodes. Le matériau fondu est ensuite transformé en différents types d’objets en verre. Formulé pour la première fois au début du XXe siècle, le Pyrex est devenu un matériau important pour une variété d’applications qui nécessitent une résistance à la chaleur et aux produits chimiques.

Pour comprendre en quoi le Pyrex est unique, il est important de comprendre la nature même du verre. Le verre est un état de la matière qui présente des caractéristiques similaires à la fois aux solides cristallins et aux liquides. Au niveau macroscopique, le verre ressemble à un solide. Il est rigide et reste en une seule pièce lorsqu’on le retire d’un récipient. Cependant, au niveau moléculaire, les verres ressemblent davantage à des liquides. Dans les solides cristallins, les molécules sont disposées de manière ordonnée. Dans les liquides, elles sont disposées de manière aléatoire. Cette disposition aléatoire est également une caractéristique du verre.

Le verre est généralement fabriqué en chauffant des composés cristallins à des températures suffisamment élevées pour les faire fondre. La fusion brise la structure moléculaire ordonnée, les laissant dans un état désordonné. Lorsque le matériau fondu est refroidi, les molécules se bloquent en place avant de pouvoir se reformer dans la structure cristalline ordonnée. Les propriétés d’un verre spécifique, telles que la dureté, la fragilité, la clarté et la résistance chimique et thermique, dépendent de sa composition chimique.

Lorsque le Pyrex a été développé, les scientifiques ont essayé de créer une composition de verre qui avait une résistance thermique élevée. À un moment donné, on a découvert que les compositions de verre contenant du bore pouvaient être chauffées à des températures élevées sans se briser. Le bore, qui est le cinquième élément du tableau périodique, a la capacité unique de créer une variété de liaisons chimiques. Lorsqu’il est lié à l’oxygène, il peut créer une structure tridimensionnelle solide. Dans une composition de verre, cette force supplémentaire lui confère une résistance thermique et chimique qui le rend utile pour les applications culinaires, les thermomètres et les équipements de laboratoire. Le pyrex a également une faible teneur en alcali qui lui confère une grande résistance à la corrosion.

Histoire

Si la date exacte à laquelle les gens ont découvert que le sable pouvait être combiné et fondu avec d’autres matériaux pour produire du verre n’est pas connue, sa découverte était probablement accidentelle. Les processus formels de fabrication du verre sont connus depuis plus de 3 000 ans. En Mésopotamie, les archéologues ont découvert des tablettes d’argile contenant d’anciennes « instructions » pour la fabrication du verre dans des fours. Au fil de l’histoire, la technologie de production du verre est devenue plus sophistiquée. Les gens ont régulièrement découvert les meilleures proportions pour combiner les matières premières et ont également appris des pratiques de fabrication comme le soufflage du verre.

Au début du vingtième siècle, les lanternes à kérosène étaient largement utilisées pour l’éclairage des rues et les dispositifs de signalisation des chemins de fer. Malheureusement, le verre utilisé pour fabriquer ces lanternes était sensible à la chaleur de la flamme et se brisait souvent. Les scientifiques ont commencé à chercher des formules de verre capables de résister à la chaleur.

Les premières expériences ont permis de découvrir que lorsque de l’acide borique était présent dans les matières premières, le verre était plus résistant à la chaleur. Ces premières formules étaient cependant chimiquement faibles, se décomposant souvent dans l’eau. Les travaux se sont poursuivis pour trouver les bonnes proportions de sable siliceux et d’oxyde borique qui continueraient à être résistantes à la chaleur et chimiquement stables. En 1912, une formule adéquate a été trouvée. Ces verres, appelés borosilicates, ont alors été introduits dans la production de lanternes. L’un des premiers types de verre borosilicaté introduit par la Corning Glass Works Company portait le nom de marque Nonex.

Le potentiel de ce produit dans le domaine de la cuisine a été découvert en 1913 par le Dr Jesse T. Littleton qui travaillait chez Corning. Il a offert à sa femme une cocotte fabriquée en Nonex, le précurseur du Pyrex. Elle fonctionnait aussi bien qu’un plat de cuisson en céramique et une nouvelle ère d’articles de cuisine avait commencé. La formule du verre Nonex a été révisée pour éliminer le plomb, et la cocotte a été donnée à l’école de cuisine de Philadelphie pour d’autres tests. Une série de tests réussis a conduit à l’introduction de la batterie de cuisine Pyrex en 1915. Cette même année, la Corning Glass Works Company a breveté la formule et lui a donné le nom de marque Pyrex. Il a été suggéré que le terme Pyrex était un dérivé du mot « pie » (en référence à son utilisation originale) ou du grec « pyra », qui signifie foyer. Dans les deux cas, le suffixe « ex » a été utilisé pour lui donner une similitude de nom de marque avec Nonex.

Lorsque la Première Guerre mondiale a éclaté, les scientifiques qui dépendaient des produits en verre allemands ont constaté que le nouveau matériau Pyrex répondait à leurs besoins en matière de béchers, de tubes à essai et d’autres articles en verre de laboratoire. Le verre borosilicate n’a cessé d’être rendu plus résistant aux produits chimiques, à la chaleur et aux chocs. Il a également été appliqué à de nombreux produits tels que les lunettes, les télescopes et les composants électroniques.

Matières premières

Trois classes de matériaux sont utilisées dans la fabrication du Pyrex, notamment les formants, les fondants et les stabilisants. Les formateurs sont les principaux ingrédients de toute fabrication de verre. Ce sont des matériaux cristallins qui, lorsqu’ils sont chauffés suffisamment haut, peuvent être fondus et refroidis pour créer du verre. Les flux sont des composés qui permettent d’abaisser la température nécessaire pour faire fondre les formateurs. Les stabilisateurs sont des matériaux qui empêchent le verre de s’effriter, de se briser ou de tomber en morceaux. Ils sont nécessaires car les fondants déstabilisent généralement les compositions de verre.

Une publicité pour Corning Pyrex.

Eugène G. Sullivan a créé le laboratoire de recherche de Corning Glass Works en 1908 et a entrepris avec William C, Taylor de fabriquer un verre résistant à la chaleur pour les lentilles des lanternes de chemin de fer. Le problème est que le verre silex (le type de verre utilisé pour les bouteilles et les fenêtres, fabriqué en faisant fondre du sable siliceux, de la soude et de la chaux) a une expansion thermique assez élevée mais une mauvaise conductivité thermique. Ces deux facteurs provoquent la rupture du verre. Deux solutions étaient possibles : améliorer la conductivité thermique ou réduire l’expansion thermique. La formule imaginée par Sullivan et Taylor était un verre borosilicate – un verre sodo-calcique dans lequel le borax remplace la chaux – auquel on a ajouté une petite quantité d’alumine. Ce verre permet d’obtenir la faible dilatation thermique nécessaire et présente une bonne résistance aux acides, ce qui permet de l’utiliser pour les pots de batterie nécessaires aux systèmes télégraphiques ferroviaires et à d’autres applications. Le verre a été commercialisé sous le nom de « Nonex » (pour nonexpansion glass).

Jesse T. Littleton a rejoint Corning en 1913. Physicien, Littleton savait que le verre absorbe bien l’énergie radiante, alors que le métal la reflète surtout. Littleton ramena chez lui un bocal à piles coupé et demanda à sa femme d’y faire cuire un gâteau. Il l’a apporté au laboratoire le jour suivant. Littleton a développé des variations sur le Nonex et le résultat a été le Pyrex, breveté et commercialisé en mai 1915.

La première vente de Pyrex a eu lieu au grand magasin Jordan Marsh de Boston en 1915. En 1919, plus de 4,5 millions de pièces avaient été vendues. En 1915, le Pyrex a été introduit dans les laboratoires. La verrerie de laboratoire venait d’Allemagne, mais la Première Guerre mondiale a interrompu l’approvisionnement. Corning a comblé le vide avec la verrerie en Pyrex, qui fonctionnait si bien que le Pyrex a remplacé la plupart des autres articles. Aujourd’hui, la verrerie de style Corning se trouve dans les laboratoires du monde entier.

Les principaux formateurs utilisés pour la fabrication du Pyrex sont le sable siliceux et l’acide borique. Le sable siliceux est également connu sous le nom de dioxyde de silicium. C’est un matériau cristallin et il était probablement le composant principal du premier verre utilisé par les humains. Dans une composition typique de verre Pyrex, le dioxyde de silicium représente environ 60 à 80 % en poids.

Le Pyrex présente une structure de phase en gouttelettes dans une matrice. Le dioxyde de silicium crée la matrice de base. Le matériau borate crée les gouttelettes au sein de cette structure. Le formateur de borate peut provenir d’un matériau comme le tétraborate de sodium. Avant la fabrication, ce composé est chimiquement réduit avec de l’acide sulfurique pour créer de l’acide borique. Lorsque l’acide borique est mélangé à du dioxyde de silicium et chauffé, il s’oxyde en oxyde borique. L’oxyde borique est responsable de la structure moléculaire unique du Pyrex. L’oxyde borique constitue entre 5 et 20 % du verre Pyrex.

Les ingrédients secondaires utilisés dans la production du verre comprennent les fondants, les stabilisants et les colorants. Les flux sont inclus dans les mélanges de verre car ils réduisent la température de fusion du verre borosilicate. Les fondants qui peuvent être utilisés dans la fabrication comprennent le carbonate de soude, la potasse et le carbonate de lithium. Ils constituent environ 5 % de la composition d’un verre Pyrex.

Malheureusement, les fondants rendent également le verre plus instable chimiquement. C’est pourquoi des stabilisateurs tels que le carbonate de baryum et l’oxyde de zinc sont inclus. Dans la fabrication du Pyrex, on ajoute environ 2 % d’oxyde d’aluminium pour rendre le verre plus rigide lorsqu’il est fondu. Enfin, pour produire du verre de différentes couleurs, des composés d’argent peuvent être ajoutés.

Le processus de fabrication

Le processus de fabrication peut être décomposé en deux phases. Tout d’abord, un grand lot de composition de verre fondu est fabriqué. Ensuite, le verre est introduit dans des machines de façonnage pour créer différents types d’objets en verre. Le processus se déplace à des vitesses énormes et est assez efficace.

Mise en lots

• 1 Les grands lots de verre Pyrex sont produits dans une zone de composition spécifique de l’usine de production. Ici, les verriers suivent les instructions des formules et ajoutent les matières premières requises dans les bonnes proportions dans de grands réservoirs. Avant d’être utilisées, les matières premières sont pulvérisées et granulées pour obtenir une taille de particule uniforme. Elles sont stockées dans des tours à lots. Les matières sont mélangées et chauffées à des températures supérieures à 1 600 °C (2 912 °F). Cette température élevée fait fondre les ingrédients et leur permet de se mélanger complètement pour créer du verre fondu. Cependant, le mélange nécessite généralement un chauffage plus long – jusqu’à 24 heures – pour éliminer les bulles excessives qui peuvent conduire à une structure plus faible.

Formation

• 2 Les réservoirs de lot sont conçus de sorte que le verre fondu s’écoule lentement vers l’extrémité de travail du réservoir. Cette extrémité de la cuve est reliée à des machines de formage à alimentation continue. Lorsque le verre sort de la cuve, il ressemble à un sirop épais de couleur rouge-orange. Les machines de formage travaillent le matériau rapidement car, en refroidissant, il devient rigide et impossible à travailler. Les machines typiques de traitement du verre le soufflent, le pressent, l’étirent et le roulent en diverses formes.
• 3 Le procédé de formage utilisé dépend du produit final. Le soufflage du verre est utilisé pour créer des produits à paroi mince comme les bouteilles. Une bulle de verre fondu est placée à l’intérieur d’un moule en deux parties. L’air est forcé dans le moule, ce qui presse le verre contre ses parois. Le verre refroidit à l’intérieur du moule et se conforme à la forme. Le pressage du verre est utilisé pour créer des pièces de verre plus épaisses. Le verre fondu est placé dans un moule et un piston est abaissé, ce qui force le verre à s’étendre et à remplir le moule. L’étirage est utilisé pour créer des tubes ou des tiges. Dans ce procédé, le verre fondu est tiré vers le bas sur un cône creux appelé mandrin. De l’air est soufflé à travers celui-ci pour empêcher le tube de s’effondrer jusqu’à ce que le verre devienne rigide. Pour les feuilles de verre, comme les fenêtres, on utilise un procédé de laminage.
• 4 Une fois le produit formé, il est refroidi et poli. Il peut ensuite être décoré de diverses impressions ou marquages et équipé de pièces en plastique si nécessaire. Le produit en verre est ensuite vérifié pour détecter les imperfections, mis dans des boîtes de protection et expédié aux clients. Selon la taille de la cuve de dosage, il est possible de produire jusqu’à 700 000 lb (317 520 kg) de produit en verre en un an.

Contrôle de la qualité

Comme la qualité du verre dépend de la pureté des matières premières, les fabricants emploient des chimistes chargés du contrôle de la qualité pour les tester. Les caractéristiques physiques sont vérifiées pour s’assurer qu’elles respectent les spécifications préalablement déterminées. Par exemple, les particules

Un schéma de la production du Pyrex.

taille est mesurée à l’aide de tamis à mailles appropriées. La composition chimique est également déterminée à l’aide d’un IR ou d’un GC. D’autres contrôles simples qui sont effectués sur les matières premières comprennent des contrôles de couleur et des évaluations d’odeur. Pendant la production d’un produit en verre, les inspecteurs observent les produits en verre à des points spécifiques de la chaîne de fabrication pour s’assurer que chaque produit a un aspect correct. Ils remarquent des éléments tels que des fissures, des défauts ou d’autres imperfections. Pour certains produits, l’épaisseur du verre est mesurée.

Sous-produits/déchets

Comme le Pyrex est fabriqué à partir de composés qui deviennent des oxydes lorsqu’ils sont chauffés, la pollution atmosphérique est un problème potentiel. Une variété de sous-produits peut être libérée pendant la fabrication, notamment des nitrates, des sulfates et du chlore. Ces produits chimiques peuvent réagir avec l’eau pour former des acides. Il a été démontré que les pluies acides causent des dommages importants aux structures artificielles ainsi qu’aux écosystèmes naturels. L’une des méthodes utilisées par les verriers pour réduire la pollution consiste à fabriquer des compositions de verre dont la température de fusion est plus basse. Les températures plus basses réduisent la quantité de volatilisation, ce qui réduit la quantité de polluants gazeux. Un autre moyen de lutte contre la pollution est l’utilisation de précipitateurs installés dans les cheminées. Ces dispositifs contribuent à réduire la pollution atmosphérique en filtrant les solides qui persistent dans la fumée et la vapeur créées par le processus de fusion. Les drains d’évacuation des déchets sont surveillés pour s’assurer que seules les quantités autorisées de déchets de l’usine sont rejetées dans l’environnement. Cela permet de prévenir la pollution de l’eau.

Une méthode supplémentaire de contrôle de la pollution est l’utilisation de ventilateurs. Ces dispositifs sont également appelés régénérateurs car ils permettent de récupérer et de recycler l’énergie thermique consommée lors de la fabrication. Cela a le double effet de réduire la pollution atmosphérique et de diminuer les coûts de production. Parmi les autres techniques de réduction des coûts et de respect de l’environnement employées, citons l’utilisation de la chaleur électrique au lieu de la chaleur du gaz, et l’incorporation de verre recyclé brisé lors de la production de verre neuf.

L’avenir

À l’avenir, les fabricants de verre borosilicate se concentreront sur l’augmentation des ventes et l’amélioration du processus de production. Pour augmenter les ventes, les fabricants de verre seront impliqués dans la recherche et la promotion de nouvelles applications pour leurs produits. Cela pourrait nécessiter de nouvelles formulations de verre présentant une gamme de caractéristiques allant de la clarté au point de fusion en passant par la résistance à l’éclatement. Du point de vue de la production, les améliorations futures se concentreront sur l’augmentation des vitesses de fabrication, la minimisation des déchets chimiques et la réduction des coûts globaux.

.