Brevet FR2791343A1 — publié le 20000929

Utilisation d'un verre pour la fabrication de récipients à boissons résistant à des changements de température La présente invention concerne l'utilisation d'un verre pour la fabrication de récipients à boissons résistant à des changements de tempé- rature. Des récipients en verre destinés à la préparation ou à la conser- vation de boissons très chaudes, comme par exemple des verseuses pour cafetières, des théières ou des biberons, doivent être faits en un verre pré- sentant une bonne résistance chimique et pouvant supporter d'importants changements de température, cette bonne résistance aux changements de température résultant d'un faible coefficient de dilatation thermique et d'un faible module électrique. De tels récipients sont par conséquent cons- titués en verre borosilicaté comme on l'utilise pour la vaisselle de labora- toire. Le groupe des verres borosilicatés est connu depuis longtemps. Ainsi, les brevets allemands DE 588 643 et DE 679 155 décrivent déjà des verres résistantes à la chaleur comprenant du SiO2, A1203, B203 et R20, en particulier (en % en poids) > 80 SiO2, 13 B203, 2 A1203, 4 Na2O, et ayant un coefficient de dilatation o20/300 oC20/300 compris entre 3,2 et 3,4.10-6/K. Les verres connus conformes à la norme indiquée ci-dessus, grâce à leur composition, présentent des températures de fusion très éle- vées. Leur fabrication n'est possible qu'avec des capacités de fusion rela- tivement faibles. Tandis que des verres usuels à base de soude et de chaux pour récipients sont fondus dans des installations de fusion ayant une per- formance de fusion pouvant atteindre 450 tonnes de verre parjour avec des températures maximales inférieures à 1450 C, des performances de fusion inférieures à 60 tonnes de verre par jour sont usuelles pour des ver- res borosilicatés 3.3, et il est nécessaire de chauffer au moins jusqu'à une température de 1650 C. La raison de ces faibles performances est d'une part l'impossibilité de construire des cuves à plus grand débit car on ne dispose pas de matériaux permettant de construire par exemple des voutes de grande taille pour ces températures élevées. Pour des cuves complète- ment électriques, il est impossible de garantir un chauffage uniforme lors- que la taille de la cuve est trop importante. Par conséquent, en raison de la plus faible taille des installations et des températures de fusion plus éle- vées, la fabrication de ces verres borosilicatés consomme nettement plus d'énergie que celle des verres à base de soude et de chaux. Ceci, en conjonction avec le prix de revient plus élevé des matières premières des verres borosilicatés, aboutit à des coûts de production de verres borosili- catés 3.3 plus élevés. Au vu de la pression croissante que subit l'industrie à limiter sa consommation d'énergie et à produire avec des coûts inférieurs, l'utilisa- tion des verres borosilicatés 3.3 qui nécessitent une grande énergie de fusion, pour des produits qui n'ont pas besoin de satisfaire aux exigences élevées de la vaisselle de laboratoire ne semble plus appropriée. D'autre part, lors de la fabrication d'un autre type de verre dans la même installa- tion de fusion, l'économie d'énergie et l'augmentation des rendements de production que l'on cherche à obtenir ne devraient pas être réduites à zéro par les temps d'arrêt des installations de fusion lorsqu'on change de type de verre. La présente invention a par conséquent pour but de proposer un verre dont la fusion consomme moins d'énergie, c'est-à-dire un verre pré- sentant des températures de fusion et de transformation plus faibles, et qui présente une résistance aux changements de température suffisante pour servir à la fabrication de récipients à boisson résistant à la chaleur, et en outre une bonne résistance chimique similaire à celle des verres borosili- catés 3.3. Ce but est atteint selon la présente invention grâce à l'utilisation d'un verre ayant la composition suivante (en % en poids expri- més en oxyde): SiO2 78,5 - 79,5, B203 13,0 - 14,0, A1203 2,0- 3,0, Na2O 4,5 - 5,5, K20 0- 0,6, ainsi qu'éventuellement des agents d'affinage en des quantités appro- priées, pour la fabrication de récipients à boisson résistant à des change- ments de température. Un verre ayant une composition englobée dans les fourchettes étroites cidessus réunit, grâce au rapport équilibré des composants des propriétés dont on estimait jusqu'ici qu'elles étaient incompatibles les unes avec les autres. La teneur en SiO2 relativement élevée permet d'obtenir une fai- ble dilatation thermique. Pour des teneurs encore plus élevées, il serait impossible d'obtenir une amélioration du comportement de fusion, c'est- à-dire un abaissement de la température de fusion. A1203, en les quantités indiquées, prévient la démixion du verre qui se traduirait par une diminution de la résistance chimique et par l'apparition d'un trouble. La teneur minimale requise est de 2,0 % en poids. Des teneurs supérieures à 3,0 % en poids ne seraient pas compati- bles avec les autres qualités exigées pour le verre car la température de fusion augmenterait trop fortement. La teneur relativement importante en Na2O est à l'origine de la diminution de la température de fusion. Cet effet peut encore être renforcé par addition de K20 en une quantité pouvant aller jusqu'à 0,6 % en poids. La fourchette étroite de la teneur en B203 en conjonction avec le ou les oxyde(s) alcalin(s) permet l'obtention d'une température de fusion basse. Des teneurs plus élevées en B203 augmenteraient fortement le coût des matières premières et réduiraient les économies réalisées grâce à la réduction de l'énergie de fusion. Des teneurs plus faibles ne sont pas non plus appropriées pour la présente invention car elles aboutiraient à une augmentation de la température de fusion. En principe il est possible d'abaisser la température de fusion en augmentant encore davantage la teneur en métaux alcalins. Les limites supérieures indiquées pour Na2O et K20 ne doivent cependant pas être franchies, car le verre ne satisferait alors plus aux exigences élevées concernant la résistance chimique. Des teneurs en métaux alcalins inférieures aux limites inférieures indiquées ne permettrait pas, compte tenu de la teneur limitée en B203, d'obtenir une diminution satisfaisante de la température de fusion. Afin d'améliorer la qualité du verre, celui-ci peut contenir en outre des agents d'affinage usuels tels que As203, Sb203 ou des chlorures (NaCl, KC1) en des quantités usuelles. Le verre peut contenir en outre au total 0,5 % en poids d'autres oxydes, comme par exemple du MgO, du CaO ou d'autres oxydes suscepti- bles d'être introduits en tant qu'impuretés dans la composition de verre et qui sont indifférents, c'est-à-dire qui n'ont pas d'influence sur l'utilisation envisagée. Le verre peut également contenir des agents décolorants comme par exemple Er203 ou CoO. Le verre utilisé dans la présente invention a une température de mise en oeuvre TA - c'est-a-dire une température à laquelle la viscosité est égale à 104 dPa.s - inférieure ou égale à 1220 C. Cette température est inférieure à celle du verre borosilicaté 3.3 commercial ayant la composi- tion suivante (en % en poids): 80,1 SiO2, 13,0 B203, 2,5 A1203, 3,5 Na2O, 0,6 K20, 0,3 NaCl (Exemple comparatif V) présentant une température de transformation TA égale à 1250 C. L'amélioration est encore plus nette lorsqu'on compare les tem- pératures correspondant à une viscosité de 103 dPa.s (T3) qui caractérisent mieux le comportement de fusion des verres. Pour le verre selon la pré- sente invention, cette température vaut au plus 1460 C, tandis qu'elle est égale à 1530 C pour l'Exemple V. Les résultats chiffrés témoignent de la meilleure fusibilité du verre. A l'échelle industrielle, elle permet dans le dispositif de fusion un abaissement de la température de fusion maximale d'environ 30 C et d'une augmentation de la capacité de production d'environ 10 % par rap- port au verre V. Il est connu que la diminution de la teneur en SiO2 et l'augmenta- tion de la teneur en métaux alcalins visant à obtenir un verre plus "tendre", à savoir à abaisser la température de fusion de celui-ci, se traduit par une dégradation de la résistance chimique, en particulier de la résistance à l'hydrolyse et aux acides. Il est surprenant et très important pour la solution du problème posé que cela n'était pas le cas pour la présente invention, et que la résis- tance chimique du verre est très élevée. Le verre appartient à la classe 1 de résistance à l'hydrolyse H définie par la norme DIN ISO 719, et à la classe 1 de résistance aux acides S définie par la norme DIN ISO 12 116. Son classement dans la classe 2 de résistance aux bases L selon la norme DIN ISO 659 est équivalent à celui du verre borosilicaté 3.3.Ceci est d'autant plus surprenant que le verre contient plus de Na2O (composant connu pour son effet défavorable sur la résistance chimique) que le verre V, et pas de composants supplémentaires, tels que CaO, susceptibles d'améliorer sa résistance à l'hydrolyse et aux acides. Le verre présente un coefficient de dilatation thermique linéaire oc20/300 compris entre 3,5 et 3,7. 10-6/K et un module d'élasticité E inférieur ou égal à 65 GPa. Ces propriétés font que le verre présente une faible tension ther- mique spécifique (p calculée selon la formule (p = E.o/(-g) o g représente le nombre de Poisson qui ne varie guère avec la composi- tion du verre et pour lequel on peut supposer une valeur constante égale à 0,2. Ainsi, le verre selon le mode de réalisation A (Composition voir ci- dessous) a une tension thermique spécifique (p = 0,3 MPa/K, tandis qu'un verre pour récipients usuel à base de soude et de chaux (oc = 9,0.10-6/K, E = GPa) a une (p égale à 0,78 MPa/K. La tension thermique spécifique est un paramètre reflétant la résistance aux changements de température. Avec une tension thermique spécifique si basse, le verre présente une résistance aux changements de température suffisamment élevée et convient par conséquent très bien pour les utilisations décrites en tant que verre pour récipients, en particu- lier pour des biberons, des verseuses pour cafetières et des théières, qui sont soumis à des contraintes liées aux changements de température. Exemple de réalisation Le Tableau montre un verre ayant une composition selon la pré- sente invention (Exemple de réalisation A) et un Exemple comparatif V ayant la composition indiquée (en % en poids) et les propriétés essentiel- les de ces verres. On obtient ces verres après pesée et mélange des matiè- res premières, et fusion dans un dispositif de fusion à chauffage électrique à des températures allant jusqu'à 1620 C (A) ou 1650 C (V). Tableau Composition (en % en poids) et principales propriétés d'un mode de réalisation (A) selon l'invention et d'un verre comparatif (V) A V SiO2 79,0 80,1 B203 13,45 13,0 A1203 2,4 2,5 Na2O 4,855 3 K20 _0,6 NaC1 0,3 0,3 (20/300 [ 10-6/K], 33 température de transition 530 520 vitreuse (Tg) [OC] VA [C] 1205 1250 T3 [ C] 1440 1530 E [GPa] 64 63 H [classe] 1 1 S [classe] 1 1 L [classe] 2 2 Le verre combine une bonne résistance chimique et une bonne résistance aux changements de température, en particulier une faible dila- tation thermique, ainsi qu'une bonne fusibilité, en particulier une faible température de mise en oeuvre. Par conséquent, pour des applications qui nécessitent une bonne résistance aux changements de température mais n'exigent pas absolument une conformité à la norme DIN ISO 3585, les verres de la présente invention sont supérieurs aux verres borosilicatés 3.3 car on peut les fabriquer avec des températures de fusion plus faibles et des performances de fusion plus élevées. Le fait que le verre ait une composition similaire à celle des ver- res borosilicatés 3.3, en particulier qu'il ne contient de préférence pas de composants supplémentaires constitue un avantage important. Il peut ainsi être préparé dans le même dispositif de fusion que le verre borosili- caté 3.3, en alternance avec celui-ci, et les durées de changement de fusion seront faibles. L'augmentation de la productivité du dispositif de fusion obtenue grâce à ce verre diminue les coûts de fabrication des récipients à boissons résistants aux changements de température, tout en conservant les propriétés intéressantes indispensables pour une telle utilisation. REVENDICATIONS 1. Utilisation d'un verre ayant la composition (en % en poids exprimés en oxyde): SiO2 78,5 - 79,5, B203 13,0 - 14,0, A1203 2,0 - 3,0, Na2O 4,5 - 5,5, K20 0- 0,6, ainsi qu'éventuellement des agents d'affinage en des quantités appro- priées, pour la fabrication de récipients à boisson résistant à des change- ments de température. 2. Utilisation d'un verre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise le verre pour la fabrication de théières, de verseuses pour cafetières et de biberons. 3. Utilisation d'un verre selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé par le fait que le verre contient en outre jusqu'à 0,5 % en poids d'oxy- des indifférents. 4. Utilisation d'un verre selon au moins une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que verre a un coefficient de dilatation thermi- que linéaire a20/300 compris entre 3,5 et 3,7.10-6/K, une température de mise en oeuvre TA inférieure ou égale à 1220 C, un module d'élasticité inférieur ou égal à 65 GPa, qu'il appartient à la classe 1 de résistance à l'hydrolyse définie par la norme DIN ISO 719, à la classe 1 de résistance aux acides définie par la norme DIN 12 116 et à la classe 2 de résistance aux bases définie selon la norme DIN ISO 659.