Brevet FR2819802A1 — publié le 20020726

STRUCTURE, NOTAMMENT POUR VITRAGE THERMOCHROME, COMPORTANT UNE SUBSTANCE CONTENUE ENTRE DEUX SUBSTRATS EN VERRE. L'invention concerne une structure comportant au moins deux substrats en verre écartés d'une distance d, au moins une substance, notamment une solution polymérique, remplissant au moins en partie l'espace entre les deux substrats, et des espaceurs disposés entre les deux substrats pour maintenir leur écartement. Un joint périphérique polymérique, inorganique ou métallique assure l'étanchéité et la tenue mécanique périphérique des deux substrats. Bien qu'elle ne se limite pas à une telle application, l'invention sera plus particulièrement décrite pour la réalisation de vitrages thermochromes généralement utilisés pour des toits ou des parois de vérandas. La solution polymérique contenue dans un vitrage thermochrome est de manière connue un hydrogel qui s'opacifie au-delà d'une certaine température, coupant alors la transmission de la lumière visible et de l'infra-rouge au travers du vitrage. L'agencement du vitrage en position verticale induit inévitablement l'écoulement par gravité de la solution vers le bas, ce qui crée une déformation dans le vitrage. Les feuilles de verre ont ainsi tendance à se rapprocher dans la partie supérieure du vitrage tandis qu'elles deviennent bombées dans sa partie inférieure engendrant des contraintes qui peuvent se traduire par un éclatement du vitrage. Il s'avère donc préférable de maintenir constante la distance séparant les feuilles de verre d'un tel vitrage en position verticale. La demande de brevet japonais JP 09 222 618 décrit un vitrage comportant une solution polymérique. L'écartement du vitrage en position verticale est gardé uniforme en établissant un état de pression négatif à l'intérieur du vitrage par rapport à l'extérieur, en particulier en incluant entre les deux feuilles de verre des espaceurs qui sont éparpillés aléatoirement sur la surface de la solution polymérique lors de la fabrication, sans y être fixés. Cependant avec le temps, les espaceurs, libres dans la solution, ont tendance à descendre vers la partie inférieure du vitrage. Ils n'assurent alors plus leur fonction dans la partie supérieure du vitrage, engendrant le problème déjà évoqué de dépression hydrostatique. L'invention a donc pour but de résoudre cet inconvénient de déformation d'une telle structure de vitrage, en particulier dans sa position verticale. Ainsi, selon l'invention, les espaceurs sont solidarisés avec au moins l'un des substrats pour empêcher qu'ils ne tombent en position verticale de la structure. Selon une caractéristique, les espaceurs constituent des éléments rapportés à la structure qui sont rendus solidaires par collage sur au moins l'un des substrats au moyen de colle organique ou inorganique, par exemple de l'émail. Les espaceurs sont par exemple des billes ou autres volumes, en acier ou en un autre matériau compatible chimiquement avec la substance. De préférence, ils sont plutôt en verre pour assurer une meilleure qualité optique du vitrage. Il s'agit par exemple de billes, de cylindres ou de parallélépipèdes en verre, ou encore d'autres formes, par exemple des espaceurs en verre tels que ceux décrits dans la demande de brevet WO 99/56 302. Il peur être utile de renforcer chimiquement les espaceurs afin d'augmenter leur résistance mécanique. Il peur également être utile de renforcer chimiquement et/ou thermiquement les feuilles de verre afin d'augmenter leur résistance mécanique. Selon une autre caractéristique avantageuse, les espaceurs sont répartis de manière non aléatoire sur la surface de solidarisation de la structure. En effet, les inventeurs ont montré que l'optimisation du nombre et de la position des espaceurs permet de minimiser le coût de la fonction espacement dans le prix de revient de tels vitrages, tout en assurant une résistance mécanique suffisante. Ainsi, l'ensemble des espaceurs peut former deux géométries sensiblement trapézoïdales et symétriques par rapport au milieu de la structure dont les bases les plus larges sont disposées respectivement vers les extrémités supérieure et inférieure de la structure en position verticale de cette dernière. La substance contenue entre les deux substrats peut être liquide et/ou solide, et est surtout dépourvue de tout élément gazeux. En effet, il est impératif qu'aucune phase gazeuse n'existe entre les deux substrats afin de ne pas engendrer d'écoulements ou de déformations supplémentaires à celles pouvant survenir dans le vitrage. Enfin, l'étanchéité de la structure peut être réalisée par un joint double bien connu de l'homme du métier et composé d'un cordon de caoutchouc butyle et d'un cordon de silicone. Avantageusement, il peut être plutôt triple et comporter un joint en caoutchouc butyle et un cordon acrylique rigide, tous deux à l'intérieur de la structure, et un joint en silicone mis en contact avec l'extérieur du vitrage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit en regard des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue partielle en coupe du vitrage selon des espaceurs ; - la figure 2 est une vue partielle en coupe du bord du vitrage ; - les figures 3 à 5 illustrent des variantes de forme d'espaceurs ; - la figure 6 illustre une disposition particulière des espaceurs dans le vitrage. Le vitrage thermochrome 1 illustré sur la figure 1 comporte au moins deux feuilles de verre 10 et 11 écartées d'une distance d, une substance 12 telle qu'une solution polymérique remplissant l'espace de séparation des deux feuilles de verre, ainsi que des espaceurs 13 qui sont disposés entre les deux feuilles de verre et servent à maintenir constante la distance d, en position verticale du vitrage en cas de déformation des feuilles de verre. Les dimensions d'un tel vitrage sont par exemple une hauteur de 2 m et une largeur de 80 cm, les feuilles de verre présentant une épaisseur qui peut être comprise entre 2 et 12 mm, de préférence entre 4 et 8mm. La solution polymérique 12 est un hydrogel qui est par exemple constitué de 30 % de polyvinylcaprolactame (PVCL) et de 70 % d'eau. Elle s'opacifie audelà d'une température de l'ordre de 25-30OC, coupant les longueurs d'onde du visible et de l'infra-rouge. La transmission lumineuse passe alors de 80% aux environs de 10-15 %. L'épaisseur de la solution 12 qui correspond à la distance d d'écartement des feuilles de verre est comprise entre 0,1 et 3 mm, de préférence de l'ordre de 2 mm afin d'obtenir une différence suffisante d'indice Tu de transmission lumineuse entre l'état non commuté et l'état commuté. L'étanchéité et le scellage de la périphérie du vitrage tels qu'illustrés sur la figure 2 sont réalisés par un joint avantageusement triple 2 qui comporte un joint en caoutchouc butyle 20 mis en contact avec la solution 12, un cordon acrylique rigide 21 disposé autour du joint 20, et un joint en silicone 22 agencé par dessus le cordon 21 et mis en contact avec l'extérieur du vitrage. En variante, le cordon acrylique rigide 21 et le joint caoutchouc butyle 20 peuvent être agencés de manière inverse. Le joint butyle 20 assure l'étanchéité à la vapeur d'eau de l'intérieur du vitrage ainsi qu'aux gaz externes au vitrage pouvant se dissoudre dans la solution polymérique. Le joint butyle 20 est souple et suit les déformations du vitrage. Enfin, le joint en silicone 22 et le cordon acrylique 21 permettent une étanchéité aux liquides ou aux solvants. Le joint 22 en silicone assure l'assemblage et le maintien mécanique des deux feuilles de verre 10 et 11. En position verticale du vitrage, la solution 12 descend ce qui créé un gradient de déformation entre le haut et le bas du vitrage ; les deux feuilles de verre ont tendance à se rapprocher en haut du vitrage et à s'écarter en bas du vitrage. Les espaceurs 13 permettent alors de maintenir approximativement constante la distance d'écartement d des feuilles de verre. Conformément à l'invention, les espaceurs 13, qui sont constitués par des éléments rapportés, sont solidarisés avec au moins l'une des feuilles de verre de manière à garder leur positionnement durant toute la vie d'utilisation du vitrage. Les espaceurs, en verre, métal ou autre matériau sont rendus solidaires avec au moins l'une des feuilles de verre par des moyens d'adhésion en fonction du type de matériau utilisé pour les espaceurs. Ces moyens d'adhésion sont par exemple une colle compatible et résistante dans le temps à la solution polymérique, ou bien un émail. Il s'agit par exemple de colles acryliques commercialisées sous la marque Loctite UV 3491, ou bien de colles sous les marques Ciba 2011, DEL 04302. Divers types et formes d'espaceurs qui sont illustrés sur les figures 3 à 5 peuvent être envisagés. Le matériau des espaceurs doit être compatible chimiquement avec la solution polymérique 12. Conviennent par exemple des billes en acier de 2 mm de diamètre qui doivent être convenablement calibrées à plus ou moins 10 um au plus pour satisfaire à la résistance mécanique du vitrage. Toutefois, des espaceurs en verre seront préférés pour la qualité optique qu'ils procurent au vitrage. Ces espaceurs en verre peuvent être des billes (figure 3), des cylindres (figure 4), ou encore présenter une forme du type cruciforme (figure 5) ou une forme telle qu'exposée dans la demande WO 99/56 302, ces formes étant notamment commercialisées sous la marque TAGLIA par la société Saint-Gobain Display Glass. Des essais ont été menés sur l'utilisation de billes en verre de diamètre 1 mm et de diamètre 2 mm dans un vitrage de 2 m par 0,80 m. Pour un vitrage aux dimensions 2 m x 0,80 m sont en particulier retenues les billes en verre de diamètre 2 mm. Concernant la variante des cylindres en verre, avec un diamètre d'au moins 1 mm, ils présentent une charge au flambage suffisante pour résister aux contraintes exercées par les feuilles de verre. Ces cylindres sont collés au substrat 10 ou 11 par une de leurs deux bases. Quant aux espaceurs cruciformes tels qu'illustrés sur la figure 5, ils peuvent être polis ou bruts de sciage, leur charge à rupture est suffisamment élevée pour assurer parfaitement la résistance aux feuilles de verre. Les dimensions sont définies par la hauteur e de 1,6 mm et la surface rectangulaire oblongue 30 (a x b) où b = 2,1 mm et a = 0,2 mm. Ces espaceurs sont collés par l'une des deux bases cruciformes comportant la surface 30. D'autres espaceurs TAGLIAO de la demande WO 99/56 302 peuvent être dimensionnés pour atteindre une charge à rupture suffisante, elle-même imposée par le mode d'arrangement des espaceurs et de la taille du vitrage. Le tableau ci-dessous résume les valeurs de charge à rupture qui ont été mesurées pour différentes variantes d'espaceurs en verre sollicités dans un vitrage thermochrome (2 m x 0,80 m). TYPE D'ESPACEUR CHARGE A RUPTURE MAXIMALE (N) Bille en verre 185 (diamètre 1 mm) Billes en verre 657 (diamètre 2 mm) Espaceur cruciforme poli 885 a=0,2mm ; e--1, 6mm ; b=2, 1mm Espaceur cruciforme brut de sciage a=0, 2mm ; 1, 6mm ; b=2, 1 mm 696 Outre leur charge à rupture élevée, les espaceurs cruciformes présentent l'avantage par rapport aux billes que leur surface d'appui est plus importante en comparaison à celle des billes, ce qui limite les risques d'indentation des feuilles de verre. De manière très avantageuse, les espaceurs sont répartis de manière non aléatoire sur la surface de la feuille de verre. En effet, les inventeurs ont pu montrer qu'il peut être envisagé de réduire le nombre d'espaceurs pour un vitrage à condition de les agencer logiquement. Il est même ainsi possible de réduire la contrainte subie par le vitrage, tout en réduisant le nombre d'espaceurs et de diminuer en conséquence le prix de revient de la fonction espaceur dans le vitrage. Par ailleurs, l'augmentation de l'épaisseur des feuilles de verre permet aussi de réduire le nombre d'espaceurs pour une même valeur de déformation des feuilles de verre tout en ne dépassant pas la contrainte de rupture des espaceurs. La comparaison expliquée ci-après est effectuée par rapport à deux distributions distinctes d'espaceurs identiques pour un vitrage de dimensions 2 m x 0,80 m et dont les feuilles de verre présentent une épaisseur de 4 mm. Pour la première distribution : le nombre total d'espaceurs est de 133 répartis à des pas réguliers et identiques en hauteur et en largeur selon 19 lignes avec 7 espaceurs par ligne. Pour la seconde distribution : le nombre total est de 126 espaceurs répartis à des pas réguliers et identiques en hauteur et en largeur selon 19 lignes mais selon un gradient numéraire en fonction de la hauteur. L'agencement peut être assimilé à deux structures de forme sensiblement trapézoïdale symétriquement à la mi-hauteur du vitrage telle que visible sur la figure 6, avec un nombre d'espaceurs plus important sur les bases ou lignes supérieure et inférieure (par exemple 9) que sur la base ou ligne médiane (par exemple 4). Les résultats comparatifs du tableau ci-dessous sont donnés sur la charge subie pour un espaceur et la contrainte subie par une face extérieure du vitrage. CHARGE (N) CONTRAINTE (MPa) Première distribution 165 12 dite rectangulaire Seconde distribution 130 9 dite trapézoïdale On voit que la disposition des espaceurs selon la logique de la seconde distribution dite trapézoïdale permet avantageusement tout en réduisant le nombre d'espaceurs, de réduire la charge subie par chaque espaceur (baisse de 20 %) et de diminuer également la contrainte que peut subir le vitrage (baisse de 25 %). Le nombre d'espaceurs pourrait encore être diminué selon une distribution irrégulière mais logique qui tendrait à égaler à 165 N la charge par espaceur, et à 12 MPa la contrainte sur le vitrage, qui restent de toute manière des valeurs de sécurité quant à la résistance mécanique du vitrage. Un exemple de procédé de fabrication du vitrage est le suivant. Sur une première feuille de verre, on trace des points qui seront effaçés après la fabrication du vitrage et qui correspondent, sur la face opposée de la feuille de verre aux positions des espaceurs 13 imposées selon une répartition choisie. Sur la face destinée à accueillir les espaceurs, on vient déposer en périphérie le premier joint d'étanchéité en butyle 20. Puis après dépôt d'un point de colle sur les espaceurs, ceux-ci sont collés sur la feuille de verre aux positions sélectionnées. Une lampe à UV permet la réticulation de la colle afin de fixer totalement les espaceurs. Le second joint d'étanchéité, à savoir le cordon acrylique 21, est déposé en périphérie de la feuille de verre et autour du premier joint 20. La couche de la solution polymérique 12 est ensuite étalée à l'intérieur du volume délimité par le premier joint 20. Puis, la seconde feuille de verre est appuyée sur la première feuille, quatre intercalaires, par exemple en mousse, ayant été placés entre les deux feuilles de verre pour les maintenir écartées d'une hauteur supérieure à celle des espaceurs car la solution 12 ne doit pas rentrer en contact avec la seconde feuille. Enfin, l'ensemble des deux feuilles de verre est introduit dans une chambre où est fait le vide et est effectué le rapprochement des deux feuilles de verre tout en comprimant les intercalaires. En sortie de cette chambre, le scellage définitif des feuilles de verre et leur étanchéité finale sont réalisés par l'application du joint en silicone 22 sur la tranche du vitrage. Dans une variante de fabrication, le joint en silicone peut être omis et le scellage peut être obtenu par la soudure des bords des feuilles de verre. Par ailleurs, les deux premiers joints 20 et 21 appliqués dans cet exemple de réalisation du procédé avant le dépôt de la solution polymérique 12 peuvent être mis à un tout autre moment après la découpe du verre et avant le scellage du vitrage. La structure du vitrage décrite ci-dessus a été révélée quant à son utilisation pour un vitrage thermochrome. Bien entendu, elle s'applique à tout produit pouvant inclure entre deux substrats de verre une substance liquide ou visqueuse et pouvant comprendre des particules solides. On peut par exemple citer les collecteurs solaires, les cellules à liquides formant un écran anti-solaire, les vitrages à cristaux liquides constitués d'un gel à base de cristaux liquides, les vitrages électrochromes ou photochromes comprenant un gel ou liquide apte à s'écouler, ou les vitrages viologènes. REVENDICATIONS 1. Structure comportant au moins deux substrats en verre (10, 11) écartés d'une distance (d), au moins une substance (12) remplissant au moins en partie l'espace entre les deux substrats, et des espaceurs (13) disposés entre les deux substrats pour maintenir leur écartement, caractérisée en ce que les espaceurs (13) sont solidarisés avec au moins l'un des substrats. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la substance (12) est liquide et/ou solide, et dépourvue de tout élément gazeux. 3. Structure selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la substance (12) consiste en une solution polymérique. 4. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les espaceurs (13) constituent des éléments rapportés au vitrage qui sont rendus solidaires par collage. 5. Structure selon la revendication 4, caractérisée en ce que le collage est réalisé par de la colle ou un émail. 6. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les espaceurs (13) sont des billes d'acier. 7. Structure selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les espaceurs (13) sont en verre. 8. Structure selon la revendication 7, caractérisée en ce que les espaceurs (13) sont en forme de bille ou de cylindre. 9. Structure selon la revendication 7, caractérisée en ce que les espaceurs (13) sont de forme cruciforme. 10. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les espaceurs (13) sont répartis de manière non aléatoire sur la surface de solidarisation de la structure. 11. Structure selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'ensemble des espaceurs forme deux géométries sensiblement trapézoïdales et symétriques par rapport au milieu de la structure dont les bases les plus larges sont disposées respectivement vers les extrémités supérieure et inférieure de la structure en position verticale de cette dernière. 12. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'étanchéité de la structure est réalisée par un joint triple (2) qui comporte à l'intérieur de la structure un joint en caoutchouc butyle (20) et un cordon acrylique rigide (21), et mis en contact avec l'extérieur du vitrage, un joint en silicone (22). 13. Utilisation d'une structure selon l'une quelconque des revendications précédentes pour un vitrage thermochrome.