Le verre de silice

L’intéressante industrie du verre de silice, née en Angleterre et en Allemagne, implantée depuis quelques années en France et aux Etats-Unis, a ses origines scientifiques dans les recherches, déjà anciennes, de savants français,, parmi lesquels Gaudin, Gautier et Moissan.

Plus récemment, les recherches méthodiques et précises de H. Le Chatelier et de ses élèves ont puissamment contribué aux progrès de nos connaissances sur la silice et les silicates.

Il convient aussi de mentionner les travaux des Anglais Boys, Shenstone,Hutton,Bottomley, Paget; ceux des Allemands Herschkowitsch, Heraeus, Voelker ; enfin les belles études des Américains Day, Wright, Rankin et de leurs collaborateurs.

Le physicien Gaudin paraît avoir été le premier à travailler le quartz fondu et à reconnaître ses propriétés essentielles. Il s’est montré expérimentateur habile autant qu’observateur sagace, en dégageant d’emblée les points fondamentaux qui caractérisent la préparation du verre de silice.

Dans sa note du 29 avril 1839 à l’Académie des Sciences de Paris , Gaudin « annonce qu’il est parvenu à filer avec une extrême facilité le cristal de roche fondu » ; il fait remettre à l’Académie des échantillons « qu’il a pu plier en écheveau et un autre qu’il a pu enrouler sur un de ses doigts ». Il a constaté que « le cristal de roche fondu se moule assez facilement par pression, qu’il est volatil à une température peu supérieure à son point de fusion » et qu’enfîn « la viscosité, dégagée de toute tendance à la cristallisation, est l’état permanent de la silice, sous l’impression du chalumeau à gaz oxygène». Dans sa note du 6 mai 1839, Gaudin commu-

nique les résultats de nouvelles recherches. « Le cristal de roche fondu, mis entre deux tourmalines, ne laisse apercevoir aucune trace d’anneaux colorés et la plus grande obscurité semble se manifester lorsque les tourmalines sont en croix ». Il s’est « livré, sur la trempe et le recuit du cristal de roche, à quelques essais qui ont donné les résultats les plus inattendus. Si l’on met des fils de cristal dans un tube en platine, soumis à un feu gradué que l’on porte au blanc et qu’on laisse ensuite tomber de lui-même, les fils, au sortir du tube, sont hérissés d’esquilles et presque complètement désagrégés. Si, au contraire, on plonge dans l’eau un fil de cristal de roche rouge-blanc, loin de se briser, il acquiert une cohésion et une élasticité extraordinaires. Si d’un autre côté, l’on fait tomber dans l’eau une larme de cristal, au moment où par la fusion elle se détache d’elle-même, loin de se fendiller et de se briser, elle reste toujours limpide ; soumise au choc du marteau, elle se conduit tout autrement qu’une larme batavique : le marteau rebondit à plusieurs reprises et la larme s’enfonce dans la brique plutôt que de se briser. Ainsi le cristal de roche trempé ressemble à l’acier pour son élasticité et sa ténacité. » Gaudin « ne doute plus que la viscosité permanente de la silice ne résulte principalement de la constance de son degré de température, produite par sa vaporisation continue. Les composés siliceux se conduisent à peu près comme le cristal de roche. Le grès ou pavé de Paris se file exactement comme lui, avec cetté différence que ses fils, au lieu d’être limpides, sont d’un blanc pur, nacré, soyeux et chatoyant très singulier, si bien qu’on les confondrait avec de la soie et que les globules ont jusqu’à un certain point un aspect de perles fines. »

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Juin 1920.

Ainsi, Gaudin avait réalisé, dès 1839,1a fusion du quartz et son étirage en fils ou son moulage par pression. Il avait reconnu en outre:

1° Que le quartz fondu est constamment pâteux et jamais fluide, même si l’on cherche à élever la température au-dessus du point de fusion ;

2° Qu’au voisinage du point de fusion, la silice subit déjà une volatilisation abondante;

3° Que par refroidissement, le quartz fondu se solidifie en prenant et gardant l’état vitreux, c’est-à-dire amorphe, et qu’on peut obtenir un verre limpide ;

4° Qu'il est insensible aux variations brusques de température et qu’il accuse une élasticité et une ténacité remarquables ;

5° Que le verre de silice se désagrège par chauffage prolongé ;

6° Que les corps siliceux, tels que le grès, donnent par fusion un verre non plus transparent, mais à aspect nacré et soyeux.

Tous ces faits se sont trouvés confirmés, la plupart ont été précisés et expliqués. Ils forment, dans leur ensemble, le point de départ de l’industrie du verre de silice. Mais, si les principes de cette industrie paraissent relativement simples, les modes de réalisation sont beaucoup plus délicats et les procédés actuels, qui donnent à la fabrication une aisance et une régularité qu’un visiteur non averti risque de confondre avec de la facilité, ont été précédés de tâtonnements longs et souvent pénibles.

Ces tâtonnements ont eu plusieurs causes, dont certaines semblent étrangères au côté technique du sujet. Ils provenaient aussi en grande partie de l’ignorance des propriétés physiques et chimiques des diverses variétés de silice. Ce n’est pas à dire que l’étude de la silice soit aujourd’hui achevée : des points importants sont encore incertains. Mais nos connaissances dans ce domaine ont fait, en ces dernières années, des progrès décisifs qui paraissent montrer, sans ambiguïté, comment il faut concevoir la fabrication et les applications du verre de silice.

Les considérations théoriques dominant, ici comme ailleurs, les questions de réalisation technique, nous résumerons dans une première étude les données scientifiques fondamentales, relatives à la silice : variétés, états allotropiques

et leurs transformations, fusion et volatilisation, propriétés physiques et chimiques formant la base des applications du verre de silice. Nous consacrerons une seconde étude à l’exposé des principes de la fabrication, des procédés employés, enfin à l’histoire et à la situation actuelle de cette industrie.

PR1N Cl PA L ES VA RI ÉTÉ S NATURELLES ET ART1F I C1ELLES

La silice est le corps le plus répandu à la surface du globe, tant à l’état libre qu’à l’état combiné. Les variétés naturelles de silice sont extrêmement nombreuses et leur énumération détaillée serait ici sans intérêt.

La forme la plus fréquente est le quartz , silice anhydre cristallisée en individus parfois volumineux, rarement isolés, généralement maclés suivant des orientations diverses. Au type quartz, appartiennent le quartz proprement dit (cristal de roche, quartz hyalin, quartzcommun lactescent, etc.), les quartzites, les grès, les sables siliceux, etc. Le quartz a été reproduit par voie sèche et par voie humide. C’est lui qui constitue la matière première, à peu près uniquement employée pour la préparation du verre de silice , que l’on appelle aussi pour cette raison, verre de quartz ou quartz fondu.

On connaît deux autres variétés de silice anhydre cristallisée : la tridymite et la cristobalite. Elles se présentent toutes deux sous forme de cristaux très petits, souvent microscopiques. On trouve fréquemment la tridymite dans les roches volcaniques ; la cristobalite n’a été rencontrée jusqu’ici que dans un petit nombre d’échantillons et habituellement mélangée à la tridymite. Elles ont été, l’une et l’autre, obtenues artificiellement, mais toujours par voie sèche ; Schwarz a préparé, par exemple, la tridymite en fondant pendant six heures à 1.000" du silicate de soude avec 3 fois son poids de phosphate de sodium et en épuisant le produit par l’eau.

La silice se présente aussi dans la nature en masses concrétionnées, dont le type est la calcédoine, et dans lesquelles le microscope seul permet de reconnaître une structure cristalline fibreuse. Suivant l’orientation des fibres par rapport aux axes cristallographiques, on dis-

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tingue plusieurs sortes de calcédoine (calcédoine proprement dite, quartzite, lutécine, pseudo-ealcédonite). Dans le type calcédoine, rentrent l’agate, le silène, la meulière, etc. Toutes ces variétés renferment une petite proportion d’eau.

La silice naturelle dite hydratée (opale, tripoli, geysérite, hyalite, etc.), ne manifeste plus, même au microscope, de structure cristalline, soit que les cristaux soient trop petits, soit qu’il s'agisse vraiment de variétés amorphes. Il en est de même de la silice hydratée artificielle ou silice précipitée, que l’on prépare au laboratoire par différents moyens et qui, par calcination, donne de la silice anhydre pulvérulente.

Enfin la fusion d’une variété quelconque de silice donne un produit vitreux, anhydre et amorphe, dont nous nous proposons précisément d’étudier ici les propriétés et la fabrication.

Mais le verre de silice se rencontre aussi à l’état naturel, principalement dans les roches volcaniques et dans les fulgurites. Ainsi qu’il était à prévoir, ses propriétés sont les mêmes que celles du produit artificiel. Lacroix a décrit en 1915diverses formes observées par lui et il a donné, au minéral amorphe de silice fondue naturelle, le nom de « lechateliérite »,en l'honneur du savant « dont les beaux travaux sur la silice en général et notamment sur les changements d’état du quartz sont bien connus de tous ».