Brevet FR2682556A1 — publié le 19930423

FIBRES DE VERRE UTILISEES EN TANT QUE SUBSTRAT POUR CULTURE HORS-SOL L'rinvention concerne des fibres de verre destinées à être utilisées dans le domaine de l'agriculture. L'invention a pour objet, plus particulièrement, des fibres destinées à être utilisées en tant que constituants d'un substrat pour culture hors-sol. De façon générale, un substrat pour culture hors-sol doit posséder une résistance mécanique suffisante afin d'éviter un affaissement sous l'effet, à la fois du développement racinaire et d'une sollicitation mécanique due à un effet de mouillage et à une circulation de la solution nutritive au sein du substrat. De plus, il doit permettre une disponibilité de la solution nutritive pour la plante' et assurer une bonne aération vis-à-vis des racines. Un coût et une masse volumique les plus faibles possibles sont évidemment recherchés. De façon connue, des substrats de culture hors-sol sont fabriqués à partir de laine de roche. Ces substrats présentent des propriétés avantageuses. Cependant, la laine de roche est obtenue à partir de fibres produites par un procédé dit de centrifugation externe. Ces procédés conduisent, ordinairement, à une proportion relativement importante de particules infibrées présentes dans le substrat et à des produits de densité relativement élevée, de l'ordre de 60 à 80 kg/m3. I1 a été également proposé des substrats de culture hors-sol constitués de laine de verre. Cette laine de verre est obtenue à partir de fibres produites par un procédé dit de centrifugation interne, détaillé dans la suite de la description. La masse volumique de ces substrats peut être sensiblement plus faible et se situe, le plus fréquemment, entre 15 et 50 kg/m3. Des compositions de fibres de verre répondant aux caractéristiques exigées pour une utilisation en tant que substrat pour culture hors-sol ont été décrites. Le brevet EP 201 426 décrit une composition verrière pour fibres destinées à être utilisées en tant que substrat pour culture hors-sol qui répond bien aux exigences mécaniques et hydriques en matière de culture hors-sol. Cependant certains de ces constituants, libérés au contact de la solution nutritive, peuvent être défavorables à la croissance de certaines espèces. La présente invention a pour but de fournir des fibres dont la composition verrière présente des caractéristiques telles qu'elles soient fibrables selon le procédé dit de centrifugation interne, fibres destinées à la constitution de substrats pour la culture hors-sol. La présente invention a pour but de fournir un substrat pour culture hors-sol de faible masse volumique, jouant un rôle de maintien racinaire qui s'imprègne facilement de solution nutritive et qui ne nuise pas à la croissance des plantes. Les buts de l'invention sont atteints grâce à des fibres dont la composition verrière est la suivante SiO2 60 - 70 % Al203 3 - 8 % CaO 6 - 9 % MgO 1,5 - 4 % Na,O 15 - 20 % KzO 0,5 - 3 % Fe2O3 0 - 3 % LizO 0 - 3 % ZnO 0 - 3 % MnO 0 - 4 % Impuretés S 1 % dont la somme des oxydes alcalins (R2O) est supérieure ou égale à 18 % et dont la teneur en oxyde de bore est inférieure ou égale à 1 %. Les impuretés comprennent tous les constituants ne figurant pas dans la liste précédente et qui sont apportés par les matières premières naturelles utilisées pour élaborer ces compositions verrières. Les impuretés comprennent également certains constituants provenant d'agents d'affinage, tels que des sulfates, ajoutés dans le mélange de matières premières vitrifiables. Les fibres de verre selon l'invention sont susceptibles d'être obtenues par le procédé dit de centrifugation interne. Ce procédé permet l'obtention, de façon reproductible, de fibres pratiquement exemptes de particules infibrées. Par ailleurs, il est possible par ces techniques de produire des substrats de faible masse volumique. ne t-Jme de technique de production de fibres fait l'objet de nombreuses publications. On pourra se reporter, poui plus de détails, notamment aux brevets FR 1 382 917 et FR 2 443 436. Selon ces techniques, le verre fondu est introduit à l'intérieur du centrifugeur et est projeté, sous l'effet de la force centrifuge, sur sa bande périphérique. Une multitude d'orifices sont aménagés sur cette bande. Au travers de ces orifices, le verre est projeté horizontalement. Les filets de verre en résultant sont étirés avantageusement par des courants gazeux afin de les transformer en fibres. Les fibres de verre selon l'invention sont obtenues à partir de verres qui présentent des caractéristiques physiques permettant de les fibrer selon ce procédé. Ces caractéristiques sont définies ci-après. Ils présentent, en particulier, une viscosité de 1000 poises à une température généralement inférieure à 12000C et, de préférence, inférieure à 11500C. Une autre caractéristique physique importante pour la production de fibres sont les températures de dévitrification, c'est-à-dire les températures correspondant à la formation de cristaux dans la masse vitreuse. Ces cristaux sont, en effet, susceptibles d'obturer les orifices du centrifugeur. Plusieurs températures permettent de caractériser cette dévitrification la température à laquelle la vitesse de croissance des cristaux est nulle, appelée couramment liquidus, la température à laquelle la vitesse de croissance des cristaux est maximale. De façon générale, l'écart entre la température correspondant à une viscosité de 1000 poises et la température du liquidus est, de préférence, supérieure ou égale à 500C. Il est souhaitable d'obtenir une vitesse de croissance des cristaux minimale ; elle est inférieure à 3 mi cronsstminute et, de préférence, inférieure ou égale à 2 microns/minute. Une autre caractéristique importante à prendre en considération est la résistance hydrolytique de la composition, particulièrement lorsqu'elle est destinée à être utilisée en tant que substrat pour culture hors-sol. Cette ziscance est mesurée selon la méthode standard de la Deutsche Glastechnische Gesellschaft (DGG). La DGG des verres constituant les fibres selon 1 'in- vention est, de préférence, inférieure ou égale à 40 milligrammes. La composition des fibres de verre selon l'invention se caractérise par un faible taux d'oxyde de bore. Il a été en effet constaté qu'au delà de 1 % en poids de BzO3, la quantité de bore libérée par les fibres de verre dans la solution nutritive dépasse le seuil de tolérance de certaines plantes. Les compositions de fibres de verre traditionnellement utilisées contiennent de l'ordre de 5 % en poids de B2O3. Cet élément joue un rôle important vis-à-vis de différentes propriétés du verre. En particulier, il permet de diminuer la viscosité, de réduire les risques de dévitrification et d'améliorer la résistance hydrolytique. Les compositions selon l'invention permettent, malgré la forte diminution de la proportion de ce constituant, voire sa suppression, de conserver des propriétés physiques et chimiques correctes. Ainsi, une augmentation du taux d'oxydes alcalins permet de maintenir la viscosité dans des limites acceptables sans provoquer pour autant une accentuation de la dévitrification. Ce résultat est obtenu en introduisant au moins 18 % en poids d'oxydes alcalins, la teneur en oxyde de sodium étant toujours au moins égale à 15 %. La teneur en Na2O ne doit pas dépasser environ 20 % au-delà de cette valeur, la DGG du verre est trop élevée ce qui nuit aux propriétés mécaniques des fibres. D'autres oxydes alcalins peuvent être introduits dans la composition des fibres selon l'invention. Ainsi K2O et LizO abaissent la viscosité sans provoquer une diminution importante de la DGG. Li2O est maintenu à une teneur inférieure ou égale à 3 % en poids essentiellement pour ne pas majorer le coût de la composition. La viscosité et la dévitrification sont également maintenues dans des limites acceptables grâce aux oxydes alcalino-terreux CaO et MgO. En particulier, la teneur en CaO doit être au moins égale à 6 % en poids pour éviter une augmentation trop importante de la viscosité. Au-delà de 9 %, CaO entraîne un accroissement sensible des risques de dévitrification. Al203 est introduit dans la composition des fibres de verre selon l'invention à raison d'au moins 3 % en poids. Cette teneur a essentiellement pour effet de maintenir la DGG à des valeurs inférieures à 40 milligrammes malgré la forte proportion d'oxydes alcalins. La proportion d'Al203 dans les compositions selon l'invention n'excède pas 8 % ; au-delà de cette valeur, la viscosité et les risques de dévitrification augmentent considérablement. D'autres oxydes peuvent être introduits dans la composition des fibres selon l'invention, tels que ZnO, MnO et Fe,O,. Ces oxydes ont pour effet de fluidifier le verre sans affecter la dévitrification du verre tout en conservant une DGG acceptable. Des séries d'essais, rassemblées dans le tableau en annexe, illustrent l'influence des constituants présents dans une composition verrière sur les caractéristiques physiques définies ci-dessus. Les compositions de verre préférées selon l'invention, comprennent les constituants suivants dans les limites ci-après, exprimées en pourcentage pondéral SiO2 62 - 67 % A1203 4 - 7 % CaO 6 - 9 % MgO 1,5 - 4 % Na2O 17 - 20 % K=O 0,5 - 1,5 % Fi203 0 - 2 % Li2O 0 - 2 % ZnO 0 - 2 % MnO 0 - 3 % Impuretés 'invention concerne également des substrats pour culture hors-sol constitués de fibres obtenues à partir d'une composition verrière selon l'invention. Ces substrats produits par le procédé de centrifugation interne présentent, avantageusement, une faible masse volumique et sont facilement imprégnés par la solution nutritive. Ces substrats selon l'invention ne jouent aucun rôle nutritionnel vis-à-vis de la plante et n'entravent pas la croissance des plantes : au contact de la solution nutritive, aucun élément nuisible ntest susceptible de se libérer à une teneur telle qu'il entrave la croissance des plantes. En particulier, les inventeurs ont montré qu'un taux de bore, libéré au contact de la solution nutritive, supérieur à 0,5 mg/l est néfaste à la croissance de certaines plantes notamment le concombre ou le gerbera. Les substrats selon l'invention libèrent, au contact de la solution nutritive, une teneur en bore inférieure ou égale à 0,5 mg/l. Cette teneur est mesurée au bout de 30 jours d'imbibition à saturation du substrat par une solution nutritive. L'absence d'effets nuisibles pour les plantes est testée par une observation attentive du comportement des plantes cultivées ainsi que par une observation de leur croissance. Avantageusement, selon l'invention, les substrats présentent une structure particulière afin d'en améliorer la résistance mécanique. Les substrats selon l'invention peuvent présenter une structure, décrite dans la demande de brevet FR 89 03372, dans laquelle les fibres sont orientées suivant des directions aléatoires conférant à la matière des propriétés isotropiques, en particulier une résistance mécanique améliorée. La demande de brevet FR 90 15809, non publiée, décrit une autre structure afin d'améliorer la résistance mécanique du substrat. Ce dernier est constitué d'un mélange de fibres fines et de fibres plus grosses. Les fibres plus grosses confèrent une résistance mécanique améliorée du substrat. Des avantages de l'invention sont mis en évidence par des essais expérimentaux décrits dans la description détaillée suivante. La libération du bore d'un substrat au contact de la solution nutritive est testée. Trois échantillons de substrats, de dimensions identiques, se différencient uniquement de par leurs compositions verrières. Le substrat A est issu d'une composition verrière connue comprenant essentiellement : 68,1 % de Six,, 3 % d'Al203, 7,7 % de CaO, 3,6 % de MgO, 14,8 % de Nua20, 1 % de K20 et 1,5 % de Bz03 les substrats B et C sont conformes à l'invention (respectivement compositions 3 et 6 dans le tableau). Ces trois substrats sont immergés à saturation, séparément, durant 30 jours dans un bain de solution nutritive, de composition identique, comportant initalement 0,25 mg/l de bore. Au bout des 30 jours, les quantités de bore dosées dans les différentes solutions nutritives sont de 0,85 mg/l pour le substrat A, 0,25 mg/l pour le substrat B et de 0,29 mg/l pour le substrat C. Les fibres de verre constituant les substrats testés ont libéré, respectivement, 0,6 mg/l, O mg/l, 0,04 mg/l de bore dans la solution nutritive. Ces essais montrent l'influence de la teneur en bore contenue dans les fibres de verre constituant un substrat sur la teneur en bore libérée par lesdites fibres dans la solution nutritive. TABLEAU : Composition : 1 : 2 : 3 : 4 : 5 : 6 (%) SiO2 : 64,75: 62,80: 65,21: 63,7 : 62,82: 64,98: Al2O3 : 4,55: 6,5 : 4,55: 4,55: 4,45: 4,53: CaO : 7,75: 7,2 : 7,65: 7,85: 7,75: 7,62: MgO : 2,5 : 2,5 : 2,8 : 2,7 : 2,65: 2,79: Na2O : 19 . 19,55: 18,2 : 18,6 : 18,45: 18,14: K2O 0,9 0,9 1,05 1,05 1 1,05 ; Fe2O3 : 0,11: 0,11: 0,105: 1,05: 2,4 : Li2O : - : - : - : - : - : ZnO - - - - - B2O3 : - : - : - : - : - : 0,35: Impuretés 0,44 0,44 0,435 0,50 0,48 0,54 ------------------------------------------------------ Propriétés : Température à : une viscosité : de 1000 poises ( C) [1] 1096 1101 1120 1117 1103 1113 Liquidus ( C) [2] : 1000 : 1010 : 960 : 970 : 990 : 958 : [1]-[2] ( C) : 96 : 91 : 160 : 147 : 113 : 155 : Vitesse maxi- : male de cris- tallisation : : : : : : : ( m/mn) : 1,61: 1,67: 1,8 : 1,41 : 1,58: 1,7 DGG (mg) : 39,6 : 37,3 : 29,2 : : 26,5 : 29,2 TABLEAU (suite) : Composition : 7 : 8 : 9 : 10 : 11 : 12 (%) : SiO2 : 64,21: 63,21: 64,21: 62,21: 64,21: 63,21: Al2O3 : 4,55: 4,55: 4,55: 4,55: 4,55: 4,55: CaO : 7,65: 7,65: 7,65: 7,65: 7,65: 7,65: : MgO : 2,8 : 2,8 : 2,8 : 2,8 : 2,8 : 2,8 Na2O : 18,2 : 18,2 : 18,2 : 18,2 : 18,2 : 18,2 : K2O : 1,05: 1,05: 1,05: 1,05: 1,05: 1,05: : Fe2O3 : 0,105: 0,105: 0,105: 0,105: 0,105: 0,105: : Li2O : 1 : 2 - . - . - - ; MnO : - : - : 1 : 3 - - ZnO : - : - : - : 1 : 2 Impuretés 0,435 0,435 0,435 0,435 0,435 0,435 ------------------------------------------------------ Propriétés : Température à : : : : : : une viscosité : : : : : : de 1000 poises: : : : : : ( C) [1] 1076 1032 1109 1087 1110 1100 : Liquidus ( C) : : : : : : : 2] : 940 : 920 : 972 : 996 [1]-[2] ( C) 136 112 137 91 : Vitesse maxi- : : : : : : : male de cris- : : : : : : : tallisation : : : : : : : ( m/mn) : 1,88: 1,96: : : 1,76: 1,72: : DGG (mg) : 31 : 33 : : : 29 : 28 REVENDICATIONS 1. Fibres de verre destinées à être utilisées comme constituants pour un substrat de culture hors-sol, caractérisées en ce que leur composition comprend essentiellement les constituants suivants dont les proportions sont exprimées en pourcentage pondéral Sio, 60 - 70 % Al203 3 - 8 % CaO 6 - 9 % MgO 1,5 - 4 % Na2O 15 - 20 % K2O 0,5 - 3 % Fe2O3 0 - 3 % Li2O 0 - 3 % ZnO 0 - 3% MnO 0 - 4 % Impuretés # 1 % dont la somme des oxydes alcalins 2. Fibres de verre selon la revendication 1, caractérisées en ce que leur composition comprend essentiellement les constituants suivants dont les proportions sont exprimées en pourcentage pondéral SiO2 62 - 67 % Al2O3 4 - 7 % CaO 6 - 9 % MgO 1,5 - 4 % Na2O 17 - 20 % K20 0,5 - 1,5 % Fe2O3 0,1 - 2 % Li2O 0 - 2 % ZnO 0 - 2 % MnO 0 - 3 % Impuretés # 1 % dont la somme des oxydes alcalins (R2O) est supérieure ou égale à 18 % et dont la teneur en oxyde de bore est inférieure ou égale à 1 %. 3. Substrat pour la culture hors-sol constitué de fibres de verre dont la composition comprend essentiellement les constituants suivants dont les proportions sont exprimées en pourcentage pondéral SiO2 60 - 70 % Al2O3 3 - 8 % CaO 6 - 9 % MgO 1,5 - 4 % Na2O 15 - 20 % K20 0,5 - 3 % Fe2O3 0 - 3 % Li2O 0 - 3 % ZnO 0 - 3 % MnO 0 - 4 % Impuretés 4. Substrat pour la culture hors-sol selon la revendication 3 constitué de fibres de verre dont la composition comprend essentiellement les constituants suivants, dont les proportions sont exprimées en pourcentage pondéral SiO2 62 - 67 % A1203 4 - 7 % CaO 6 - 9 % MgO 1,5 - 4 % Na2O 17 - 20 % K20 0,5 - 1,5 % Fe2O3 0,1 - 2 % Li ZnO 0 - 2 % MnO 0 - 3 % Impuretés 5. Substrat pour la culture hors-sol selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'il est constitué de fibres qui, au contact d'une solution nutritive, ne libèrent que des éléments dont la nature et la concentration dans la solution nutritive sont dénués d'effets susceptibles d'entraver la croissance des plantes. 6. Substrat pour la culture hors-sol selon la revendication 5, caractérisé en ce que lorsque le substrat est saturé à 75 % en volume par une solution nutritive, la teneur en bore libérée dans cette dernière est inférieure ou égale à 0,5 mg/l.